УПРАВЛЕНИЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ

УСИЛЕНИЕ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ МОСТОВ

МАТЕРИАЛАМИ НА ОСНОВЕ ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ

ВЫСОКОПРЧНЫХ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН

СТО - 01 - 2011

ВОЛГОГРАД – 2011

Содержание

Управление автомобильных дорог СТО - 01– 2011 2 Стр.

ВВЕДЕНИЕ 4 1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ 5

2. ХАРАКТЕРИСТИКА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 7

НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН

3. ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

3.1. Расчет по предельным состояниям первой группы 3.1.1. Расчет прочности нормальных к продольной оси сечений по условию равновесия усилий 3.1.2. Расчет прочности сечений наклонных к продольной оси элемента 3.2. Расчет по предельным состояниям второй группы

4.ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА РАБОТ

4.1. Принципиальные схемы усиления основных типов конструкции 4.2. Подготовка основания под наклейку 4.3. Раскрой ленты или ламината 4.4. Приготовление клея (адгезива) 4.5. Наклейка ткани 4.6. Наклейка ламината 4.7. Конструктивные особенности выполнения усиливающих накладок

5. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА

5.1. Входной контроль 5.2. Операционный контроль 5.3. Приемочный контроль

6. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ

СРЕДЫ

7. НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ И ЛИТЕРАТУРА

Приложение 1. Условные обозначения Приложение 2. Программа для определения геометрических характе- ристик сечений железобетонных балок, усиленных ФАП Управление автомобильных дорог СТО - 01– 2011 Предисловие Стандарт разработан ЗАО «Компания «Дорис».

Разработка стандарта организации предусмотрена статьёй федерального закона «О техническом регулировании» №184 ФЗ.

В разработке стандарта организации принимали участие:

Руководитель темы к.т.н., доцент ВолгГАСУ Б.С. Кисин, Начальник отдела искусственных сооружений О.А. Аданкин, Главный инженер проектов И.А. Воронченко, Инженеры П.А. Редькин, А.С. Крошкин.

При участии специалистов ООО «БАСФ Строительные системы» и инж.

Т.А. Соловьевой (ООО "Агама").

Стандарт организации Усиление пролетных строений мостов материалами на основе однонаправленных высокопрочных углеродных волокон. Введен впервые.

Управление автомобильных дорог СТО - 01– 2011

1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Настоящий стандарт организации (далее документ) разработан в целях определения рациональной области использования композиционных материалов на основе однонаправленных высокопрочных волокон при ремонте мостовых сооружений в Волгоградской области с учетом реальных условий их эксплуатации, разработке технологий, сводящих к минимуму ремонтные работы и не требующих закрытия движения по мостам или полосам движения.

В стандарт организации вошли мероприятия и рекомендации по усилению железобетонных мостовых конструкций с помощью эффективной современной технологии – наклейки высокопрочных фиброармированных пластиков (далее ФАП). Правильное использование этих материалов дает следующие значительные преимущества по сравнению с традиционными материалами и методами усиления:

– малыйсобственный вес элементов усиления;

малые габаритные размеры и отсутствие выступающих частей;

легкость транспортировки;

высокие прочностные характеристики материалов;

в сочетании с усиливаемой конструкцией хорошо воспринимают сейсмические воздействия, а также ударные и взрывные нагрузки;

высокая стойкость к агрессивным воздействиями внешней среды;

отсутствие коррозии;

низкая энергоемкость и трудоемкость производства работ;

проведение работ по усилению без перерыва движения по мостам;

простота устройства пересечения ламелей и холстов;

высокая степень выносливости материалов.

В большинстве случаев производство ремонтных работ с помощью углепластиков оказывается экономически более выгодным, по сравнению с традиционными способами, несмотря на высокую стоимость исходных материалов.

Наиболее часто технологии с использованием ФАП находят применение в следующих случаях:

– восстановление несущей способности элементов мостов и путепроводов при наличии дефектов, влияющих на грузоподъемность и долговечность сооружений (трещины, выщелачивание бетона, коррозия арматуры);

–повышение несущей способности и уменьшение прогибов элементов пролетных строений, требующих усиления в связи с увеличением временной нагрузки;

– для значительного увеличения сопротивления ударным и динамическим нагрузкам;

– сохранение несущей способности конструкций при изменении расчетных схем;

– повышение сейсмостойкости сооружений.

Настоящий стандарт распространяется на ремонт и усиление железобетонных конструкций пролетных строений и опор мостовых сооружений в Волгоградской области с применением технологии наклейки ФАП.

Требования, изложенные в разделах 4,5 и 6 являются обязательными.

Работы по ремонту и усилению с применением вышеуказанной технологии следует производить в полном соответствии с утвержденным проектом производства работ.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН

Наиболее распространенными формами применяемых для усиления композиционных материалов являются холсты различного плетения и полосы (ламинаты). Холсты представляют собой гибкую ткань с одно- или двунаправленным расположением волокон. При установке на конструкцию они утапливаются в полимерный слой – матрицу, обеспечивающую их плотное прилегание к усиляемой конструкции. Такой способ применения композициионных материалов называется «по месту». Полосы или ламинаты – это изготовленные в заводских условиях изделия из ФАП, непосредственно приклеиваемые на заранее подготовленную поверхность усиливаемой конструкции. Объемное содержание армирующих волокон в полимерной матрице колеблется от 25-35% в холстах, до 50-70% в ламинатах.

Физико-механические свойства материалов на основе углеродных волокон определяются типом и количеством применяемых волокон, их ориентацией и распределением в поперечном сечении ленты (ламината), а также объемным соотношением волокон и иотверждающего полимера в композите. В табл. 2.1 приводятся сравнительные характеристики углеродных полосовых композиционных материалов, а в табл. 2.2 – характеристики холстовых материалов.применяемых в строительстве(по данным производителей).

Плотность армирующих углеродных волокон находится в пределах 1,5-1, г/см3. Коэффициент линейного температурного расширения в продольном направлении L=1·10-6/ C, в поперечном направлении Т = (22-50)·10-6/ C.

(Для справки: коэффициент линейного расширения (к.л.т.р.) бетона находится в пределах от 7·10-6/ C до 11·10-6/ C и считается изотропным.Сталь имеет к.л.т.р., равный 11·10-6/ C.) При растяжении ФАП имеют линейную зависимость между напряжениями и деформациями вплоть до разрушения Холсты предназначены для усиления элементов конструкций, в которых возникают значительные по величине растягивающие и касательные напряжения от суммарных эксплуатационных нагрузок. Этот материал применяется при усилении опор и пролетных строений мостов, имеющих сложную конфигурацию или поперечное сечение (круг, тавровые и коробчатые сечения), где применение лент (ламинатов) затруднено.

Важным компонентом системы усиления внешним армированием при помощи композиционных материалов является адгезив или клеящий состав.

Основным его назначением помимо собственно приклеивания является восприятие сдвиговых и отрывающих усилий между соединяемыми поверхностями. Для приклеивания композиционного материала к бетонной поверхности чаще всего используются эпоксидные двухкомпонентные клеящие составы, способные схватываться при окружающей температуре. Наиболее распространенные клеящие составы приведены в табл. 2.3.

Выбор типа эпоксидного адгезива зависит от особенностей его применения и определяется такими факторами, как температурно-влажностный режим окружающей среды и склеиваемых поверхностей, а также требуемой скоростью твердения. Адгезивы должны выдерживать температуру до 50 С во время эксплуатации и иметь температуру стеклования не менее 60 С.

Таблица 2.1.

Физико-механические свойства углепластиков-ламинатов В процессе твердения в адгезиве происходят химические процессы, резко замедляющиеся при температуре менее +10С. Поэтому в большинстве случаев во время производства работ по усилению окружающая температура должна быть свыше +10С.

Физико-механические свойства углепластиков-холстов (тканей)

3.ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Нормативные характеристики ФАП ( прочность на растяжение Rf, модуль упругости Ef, предельная деформация растяжения ) определяются механическими испытаниями по ГОСТ 25.601-80 с обеспеченностью 0,95[25].

Расчетные характеристики ФАП определяются на базе нормативных характеристик с учетом коэффициента надежности fи коэффициента условия работы СЕ (табл. 3.1), учитывающего влияние окружающей среды.

Расчетная прочность на растяжение арматуры определяется по выражению:

а расчетная деформация растяжения:

Расчетные значения модуля упругости при растяжениипринимаются равными их нормативным значениям:

Коэффициенты условий работы CEдля различных материалов ФАП:

Значения коэффициента надежностиfпринимаются равными:

при расчете по предельным состояниям первой группы –1, при расчете по предельным состояниям второй группы – 1, 3.1 Расчет по предельным состояниям первой группы Расчет нормальных сечений железобетонных элементов, усиленных фиброармированными пластиками (ФАП), допускается проводить на основе условий равновесия усилий в предельном состоянии. Расчет нормальных сечений изгибаемых элементов по прочности предполагает рассмотрение нескольких видов предельных состояний. Возможны следующие типы разрушения усиленных элементов:

а) разрушение сжатой зоны бетона до достижения напряжений текучести в стержневой растянутой арматуре: напряжения в ФАП значительно ниже расчетных (переармированная растянутая зона);

б) наступление текучести в растянутой стержневой арматуре и последующий разрыв внешней арматуры ФАП без разрушения сжатой зоны бетона;

в) наступление текучести в растянутой стержневой арматуре и последующее разрушение внешней арматуры ФАП и сжатой зоны бетона;

г) разрушение от отслоения элементов ФАП.

Подбор площади сечения внешней композитной арматуры производится итерационно, задавая некоторую начальную её величину, а затем корректируя её по результатам расчетов по прочности на действия изгибающих моментов.

Поскольку предельное состояние сечения в общем случае не всегда сопровождается разрушением сжатой зоны бетона, то максимальные напряжения в ней могут не достигать предельных значений. Усилия во внешней арматуре ФАП определяются по величине напряжений f,которые могут быть равными расчетной прочности на растяжение, или быть ниже её.

Изгибаемые элементы рекомендуется проектировать на случаи разрушения "б" и "в", так как разрушение по типу "а" связано с недоиспользованием механических свойств стержневой и внешней арматуры.

Отслаивание ФАПможет произойти, если деформация в нем не может быть воспринятабетонным основанием. Чтобы предотвратить отслаивание ФАП, нужно ограничить уровень его деформации. Выражение (4) дает оценку коэффициента условий работы ФАП km, который зависит от жесткости элементов усиления ФАП [28,33]:

Первое выражение используется при ntfEf180000, а второе – при ntfEf180000.

С помощью коэффициентаkm из выражения (4) в расчетах ограничивается достижение предельной деформации разрыва ФАП, что обеспечивает отсутствие отслоения ФАП при расчетных нагрузках. Коэффициент km по сути ограничивает предельно допускаемые усилия, возникающие в арматуре ФАП.

Допустимые предельные расчетные деформации ФАП определяются:

Допустимый уровень напряжений в ФАП определяют по закону Гука:

Расчетное сопротивление растяжению Rfuпринимаютравным:

Расчетные деформации внешнего армирования ФАП при растяжении:

В процессе усиления на растянутую грань элемента добавляется слой армирования из композиционных материалов. Координаты этого слоя арматуры по высоте для простоты расчета и ввиду его малой толщины (обычно порядка 12 мм) принимаются равными координатам крайних растянутых волокон бетона.

3.1.1. Расчет прочности нормальных к продольной оси сечений по Предельные усилия в сечении,нормальные к продольной оси элемента,следует определять исходя из следующих предпосылок:

сопротивление бетона растяжению принимается равным нулю;

сопротивление бетона сжатию в предельном состоянии представляется напряжениями, равномерно распределенными по всей высоте сжатой зоны и равными Rb;

для определения деформаций используется гипотеза плоских сечений;

растягивающие напряжения в стальной арматуре принимают не более расчетного сопротивления растяжению Rs,сжимающие напряжения – не более расчетного сопротивления Rsc;

растягивающие напряжения в арматуре ФАП принимают не более расчетного сопротивления Rfu;

внешняя арматура и бетон сохраняют полное сцепление и работают совместно до наступления предельного состояния;

деформация сдвига в клеевом слое не учитывается.

При подборе площади сечения арматуры из ФАП нельзя допускать превышения граничных процентов армирования, установленных в СП 52-101-2003[13]. Расчет по прочности нормальных сечений следует производить в зависимости от соотношения между значением относительной высоты сжатой зоны бетона x h, определяемым из соответствующих условий равновесия, и значениемграничной относительной высоты сжатой зоны R, при которой предельное состояние элемента наступает одновременно с достижением в растянутой стальной арматуре напряжения,равного расчетному сопротивлению Rs. При этом также нужно учитывать соотношение между значением относительной высоты сжатой зоны бетона f x h и значением принятой относительной высоты сжатой зоны Rf, при которой предельное состояние элемента наступает одновременно с достижением в растянутой арматуре из ФАП напряжения, равного расчетному сопротивлению Rfu. При этом также нужно учитывать соотношение между значением относительной высоты сжатой зоны бетона f x и значением принятойотносительной высоты сжатой зоны Rf, при которой предельное состояние элемента наступает одновременно с достижением в растянутой арматуре из ФАП напряжения, равного её расчетному сопротивлению Rfu.

Значение граничной высоты сжатой зоны R для тяжелого бетона без предварительного напряжения:

Значения Rf определяют по формуле:

bu1 принимается равным b 0 для непродолжительного действия нагрузок и b 2 -для продолжительного в соответствии с п.5.1.12 [13].

Для ФАП отношение R fu E f представляет собой предельную относительную деформацию при растяжении. В большинстве случаев она находится в диапазоне (0,3%1%). Это больше, чем деформация текучести стали Rs E s (0,2%) и поэтому Rf будет меньше, чем R.

Расчет по прочности сечения изгибаемых элементов, усиленных ФАП, производят из общего условия:

Для прямоугольного сечения, симметричного относительно плоскости действия момента и дополнительным армированием композитными материалами расчетное условие прочности записывается в виде:

Высоту сжатой зоны находят, используя уравнение равновесия:

Высота сжатой зоны xпри разрушении усиленного сечения по арматуре и ФАП ( Rf RR )для прямоугольного сечения определяется из выражения:

Тогдазначение M ult может быть найдено по формуле:

Высота сжатой зоныxпри разрушении бетона сжатой зоны усиленного сечения и достижения в растянутой и сжатой арматуре напряжений, равному пределу текучести, определяется по формуле:

Тогда предельный изгибающий момент равен:

Для того чтобы не произошли недопустимые деформации растянутых арматуры и композиционного материала, необходимо соблюдать следующие условия:

деформации в растянутой арматуре:

деформации в композиционном материале при усилении конструкции:

Деформации растянутой арматуры и в материале ФАП не должны превышать предельных расчетных значений.

Для балочных пролетных строений мостов чаще всего применяются железобетонные ребристые конструкции, причем элементы имеют тавровое сечение с полкой в сжатой зоне и многорядную арматуру в ребре (рис.3.1).

Для тавровых сечений предлагается следующий порядок расчета усиления материалами ФАП:

1. Фактическое сечение балок приводится к классическому тавровому сечению;

2. Определяются геометрические характеристики неусиленного сечения с учетом фактического состояния конструкции (класс бетона, коррозия арматуры) ;

3. Определяется положение нейтральной оси. Если удовлетворяется неравенство то нейтральная ось проходит в пределах полки и высота сжатой зоны и несущая способность неусиленногосечения определяется по формуле:

Mult Rbb'f x(h0 0,5x) Rsc As' (h0 a' ) то нейтральная ось проходит в ребре и высота сжатой зоны и несущая способность неусиленного сечения 4. Принимается решение о способе усиления композитными материалами(ламинаты или холсты, их торговая марка, физико-механические свойства ФАП), определяется на какую величину требуется увеличить несущую способность усиливаемой конструкции.

5. Определяются расчетные характеристики ФАП по выражениям (1Итерационно подбирается площадь поперечного сечения лент усиления ФАП, чтобы обеспечить требуемую несущую способность усиленного сечения, для этого задается первоначальная площадь и определяется высота сжатой зоны xf.

Для наиболее частого случая(нейтральная ось проходит в пределах полки):

7. Проверяется равновесиемоментов внутренних сил относительно центров тяжести растянутой стальной арматуры и сжатого бетона с точностью 12% Для облегчения расчетов в среде Excelсоставлена программа по определению геометрических характеристик железобетонных тавровых и двутавровых сечений, усиленных ФАП. Пример заполнения исходных данных для сечения балки (т.п. выпуск 56 СДП, пролет 16,3м, нагрузки Н-13, НГ-60) и результаты расчета приведены в Приложении 2.

По окончанию расчетов усиленного нормального сечения необходимо провести проверку обеспечения несущей способности по наклонным сечениям.

Рис. 3.1 Схема усилий в изгибаемых тавровых сечениях:

а) при расположении нейтральной оси в пределах полки;

б) при расположении нейтральной оси в ребре.

3.1.2. Расчет прочности сечений, наклонных к продольной оси Системы ФАП также могут быть использованы для усиления наклонных к продольной оси сечений. Усиление достигается наклеиванием ФАП в поперечном направлении к оси элемента или перпендикулярно потенциальным трещинам в опорном сечении.

На рис. 3.2 приведены основные схемы наклейки, используемые при усилении наклонных сечений. Для балок в основном используется наклейка ФАП с трех или двух сторон элемента. Номинальная прочность наклонных сечений элемента, усиленного системой ФАП, должна превышать требуемую прочность. В общем виде условие прочности наклонного сечения элемента, усиленного ФАП записывается так:

где f -коэффициент запаса, зависящий от схемы наклейки ФАП.

Рис. 3.2 Схема наклейки ФАП при усилении наклонных сечений Трехсторонние U-образные хомуты или приклеенные к наружной поверхноf Рисунок 3.3 иллюстрирует параметры, которые используются для вычисления прочности наклонных сечений с учетом ФАП. Вклад системы ФАП в увеличение прочности на сдвиг элемента основан на работе соответствующего направления фибры по отношению к предполагаемой траектории трещины.

Рис. 3.3 Размещение ФАП хомутов для усиления наклонных сечений После подбора сечения усиляющей накладки (по разделу 3.1.1) необходима проверка обеспечения несущей способности сечений :

наклонных к продольной оси элемента на действие поперечной силы по наклонной полосе между наклонными трещинами;

на действие поперечной силы по наклонной трещине;

на действие изгибающего момента по наклонной трещине.

Расчет изгибаемых железобетонных элементов по бетонной полосе между наклонными сечениями производят по выражению 6.65 [13] где b1 для тяжелого бетона равен 0,3.

Расчетжелезобетонныхэлементов по наклонным сечениям на действие поперечных сил осуществляется по п. 6.2.34 [13] с учетом следующих дополнений.

Общее условие прочности: Q Q ult Поперечная сила, воспринимаемая бетоном в наклонном сечении Qb, определяется по п. 6.67[13]: