Усиление железобетонных балок с помощью систем, армированных стеклопластиком (стеклопластиковые пластины или полосы), используется примерно с 1980-х годов. Системы FRP могут быть использованы для увеличения прочности на сдвиг железобетонных балок путем полного или частичного обертывания FRP систем вокруг железобетонного элемента.
Поскольку большинство железобетонных балок строятся монолитно с другими непрерывными элементами, такими как плиты или стены, поэтому полное обертывание FRP пластин в большинстве случаев невозможно.
Направление волокон FRP перпендикулярно потенциальным трещинам сдвига эффективно для обеспечения дополнительной прочности на сдвиг. Более того, повышение прочности на сдвиг может привести к изгибному разрушению, которое является более вязким разрушением, следовательно, более желательным по сравнению с хрупким разрушением на сдвиг.
Дополнительная прочность на сдвиг, достигаемая за счет применения пластин или полос FRP, зависит от ряда факторов, таких как геометрия балки, прочность бетона и применяемая схема обмотки.
Существует три основных типа систем FRP, которые включают арамидные, стеклянные и углеродные FRP. Полимерная пластина из углеродного волокна, которая является высококачественным, но дорогим типом FRP пластины, показана на рисунке 1.
Внешнее скрепление систем FRP успешно применяется для усиления железобетонных балок при сдвиге и для улучшения мостов, особенно в Соединенных Штатах Америки.
В данной статье используются процедуры расчета на сдвиг, представленные в Руководстве по проектированию и строительству систем FRP с внешним скреплением для усиления бетонных конструкций (ACI 440.2R-08).
Полимерная плита, армированная углеродным волокном
- Формула прочности на сдвиг стальной арматуры:
Обертывание FRP пластины или ленты для балок RCC
Существуют три основные схемы обмотки, применяемые для усиления железобетонных балок при сдвиге:
- Завершающая обмотка
- схема U-образной обмотки
- Схема двухсторонней обмотки
Полное обертывание стеклопластиковых пластин
Этот тип является наиболее эффективным методом обертывания. Система FRP полностью оборачивается вокруг бетонного элемента, как показано на рисунке 2. Поскольку балки заливаются монолитно, трудно обеспечить доступность всех четырех сторон для обертывания. Этот метод подходит для усиления колонн.
Общая схема обертывания для усиления сдвига с помощью пластин или полос FRP
U-образная схема обертывания
Эта схема используется в случаях, когда балка интегрирована с перекрытием и только три стороны доступны для использования, как показано на рисунке 2 и рисунке 3.
U-образная схема FRP-обертывания для усиления балок RCC на сдвиг
Схема двухсторонней обмотки стеклопластиковых пластин
В этом случае две стороны балки скрепляются с системой FRP, как показано на рис. 2 и рис. 4.
Двухсторонние системы FRP для усиления балок RCC
Более того, все три типа схем используются для железобетонных элементов для повышения прочности на сдвиг, но наиболее эффективным является полное обматывание, затем трехстороннее скрепление, а затем двухстороннее скрепление FRP систем.
Кроме того, возможно как непрерывное, так и дискретное обертывание по всем схемам. В последнем случае межцентровое расстояние между полосами должно быть равно или меньше (d/4+ширина полосы).
Наконец, U-образная и двухсторонняя обмотки подвержены разрушению при отсоединении, поэтому их деформации ограничиваются коэффициентом уменьшения сдвиговой связи (kv).
Коэффициент уменьшения сдвиговой связи является функцией типа применяемой схемы обертывания, прочности бетона и жесткости системы армирования FRP. ACI 440.2 R-08 предлагает уравнение для расчета (kv):
где:
: расчетная деформация разрыва системы FRP
le: Активная длина связи, по которой большая часть напряжения сдвига передается между бетоном и системой FRP. Активная длина связи рассчитывается следующим образом:
k1, k2: Два коэффициента модификации, которые учитывают прочность бетона и схему обертывания соответственно. Эти коэффициенты модификации вычисляются по следующим уравнениям:
Формула, используемая для вычисления (k2) для U-образной схемы, следующая:
Для двухсторонней схемы (k2) выражается следующим образом:
df: Эффективная глубина систем усиления сдвига FRP. Она равна полной высоте секции в случае U-образной схемы, в то время как при двухсторонней связи – это расстояние от основной стальной арматуры до верха системы FRP.
Расчет на сдвиг систем FRP с внешним скреплением
Расчетная прочность на сдвиг усиленных бетонных балок 
должна быть больше, чем приложенная сдвигающая сила (Vu).
Номинальная прочность на сдвиг усиленных бетонных элементов оценивается путем объединения прочности на сдвиг бетона (Vc), сдвиговой арматуры, которая является либо связующей, либо спиральной (Vs), и прочности на сдвиг, обеспечиваемой системой FRP (Vf).
Кроме того, к прочности на сдвиг системы FRP применяется дополнительный понижающий коэффициент.
Где:
Vc: прочность бетона на сдвиг, которая может быть рассчитана по уравнению, приведенному в ACI 318-11.
Vs: прочность на сдвиг стальной арматуры, которая может быть рассчитана по формуле ACI 318-11.
: коэффициент снижения прочности, применяемый для определения прочности на сдвиг систем FRP, который составляет 0,95 для полностью обернутого элемента и 0,85 для U-образного и двусторонне обернутого элемента.
Vf: прочность на сдвиг, обеспечиваемая системами FRP, и может быть рассчитана по следующей формуле:
Afv: площадь системы FRP, усиливающей сдвиг, рассчитанная по уравнению 8
ffe: эффективная прочность на растяжение системы FRP, полученная при разрушении секции.
: Угол между пластинами или полосами FRP и горизонтальной осью железобетонной балки
sf: Расстояние между полосами FRP от центра до центра
n: Количество слоев системы армирования FRP
tf: Номинальная толщина одного слоя системы усиления FRP
wf: Ширина полос FRP усиления и равна sf в случае непрерывной системы FRP усиления
Ef: Продольный модуль упругости системы армирования FRP
: Эффективная продольная деформация стеклопластиковых пластин или полос
Эффективная деформация системы армирования FRP – это пиковая деформация, которая может быть достигнута при номинальной прочности и контролируется режимами разрушения системы армирования FRP. Она может быть рассчитана для каждой схемы обертывания следующим образом:
Для полностью обернутой схемы:
Для U-образной схемы и двухсторонней обмотки:
Когда система усиления FRP используется для повышения прочности бетонного элемента на сдвиг, предельная прочность на сдвиг, используемая для обычной стальной арматуры на сдвиг, должна быть использована как для стяжек, так и для системы усиления FRP:
Прочность бетона и стальной арматуры на сдвиг в уравнении 6 может быть рассчитана по следующим уравнениям, которые взяты из ACI 318-11:
Формула прочности бетона на сдвиг:
: является единицей для нормального бетона
Fc’: Прочность бетона на сжатие
bw: Ширина полотна для Т-образного сечения или просто (b) для прямоугольного сечения
d: Глубина бетонной секции
Формула прочности стальной арматуры на сдвиг:
Для вертикальной арматуры:
Для наклонной арматуры:
Av: площадь арматуры и принимается равной удвоенной площади стержня в круговой обвязке, обруче или спирали.
fyt: заданный предел текучести арматуры.
d: эффективная глубина сечения
s: расстояние между стяжками
: Угол между наклонными стременами и продольной осью элемента
Читать далее:
Как контролировать прогиб железобетонных балок и плит?
Факторы, влияющие на прогибы железобетонных балок и перекрытий
Методы улучшения пластичности балок RCC с помощью полимерных стержней, армированных волокном
- Методы усиления железобетонных балок – характеристики связей.
- Армированный фибробетон – виды, свойства и преимущества армированного фибробетона.
- Расчет на сдвиг железобетонных элементов конструкций, армированных волокном.
- Концепция проектирования высотных зданий из железобетона.
- Минимальное и максимальное соотношение армирования в различных железобетонных элементах.
- Передовые композиционные материалы (ACM).
- Ламинаты из углепластика для усиления на сдвиг железобетонных балок.