shkolaw.in.ua 1



УДК 624.01
Данилов С. В. (ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет»,

г. Могилев, Республика Беларусь)
выбор рационального способа нагружения усиленных железобетонных колонн
Рассмотрены способы нагружения усиленных железобетонных колонн. Приведены основные результаты теоретических и экспериментальных исследований опытных образцов усиленных железобетонных колонн. Выполнен анализ результатов исследований и даны рекомендации по нагружению усиленных железобетонных колонн
Надежность работы строительных конструкций в процессе технической эксплуатации зданий, поддерживается путем своевременного возобновления защитных покрытий, замены или усиления основных элементов, выполнения графиков всех видов ремонтов и т.п.

Опыт показывает, что в нормальных эксплуатационных условиях большинство конструкций за установленный нормативный срок службы зданий и сооружений не исчерпывают физико-механических качеств материалов. Наряду с этим, из-за неудовлетворительного ухода, нарушения правил технологической и технической эксплуатации зданий и сооружений, сроки службы отдельных конструкций, эксплуатируемых в условиях агрессивных сред, сокращаются в несколько раз. К таким конструкциям относятся: колоны, стены, стропильные конструкции, элементы покрытий зданий и сооружений, фундаменты и другие элементы.

Вместе с тем, одной из основных несущих конструкций, обеспечивающих устойчивость и геометрическую не изменчивость зданий и сооружений являются железобетонные колонны.

Нормальный срок службы колонн составляет 70 – 100 лет [1]. Однако в процессе эксплуатации, степень их износа из-за коррозии бетона и арматуры достигает, в некоторых случаях 30 – 40 % и более, что подтверждается их техническим обследованием на ряде объектах г. Могилева и Могилевской области (желатиновый завод в г. Могилеве, подготовительное отделение завода асбестоцементных листов в г. Кричеве Могилевской области и др.).


При такой степени износа следует принимать рациональные конструктивные и организационно-технические решения, обеспечивающие восстановление, а в некоторых случаях и увеличение несущей способности колонн. В статье изложены результаты экспериментальных и теоретических исследований автора, направленные на решение этих задач.

Для восстановления и усиления железобетонных колонн существует большой арсенал методов, среди которых наибольшее распространение получили следующие: железобетонные обоймы; одностороннее и двухстороннее наращивание сечения; металлические обоймы ненапряженные и с предварительным напряжением хомутов; предвари­тельно напряженные металлические распорки.

Выполненный анализ экспериментальных и теоретических исследований существующих способов усиления железобетонных колонн, а также реализованных в строительной практике решений показывает, что наиболее эффективным способом при средней и сильной степени их разрушения (более 30 %) является усиление бетонной и металлической обоймой, по схеме приведенной на рис. 1.


Рис. 1. Усиление железобетонных колонн бетонной и металлической обоймой:

1 – усиленная колонна; 2 – бетонная обойма; 3 – металлическая обойма
Как правило, толщину бетонной обоймы назначают в пределах 100 мм с установкой металлической обоймы. Такой подход, из-за значительной площади поперечного сечения бетонной обоймы и металлического обрамления обеспечивает значительный запас несущей способности усиленных колонн.

Одним из направлений повышения эффективности работы усиления является разработка теоретически и экспериментально обоснованных технических решений по снижению расхода бетона и стали на усиление колонн при одновременном обеспечении их несущей способности.

В этом направлении нами выполнены теоретические и экспериментальные исследования способов нагружения усиленных колонн по схеме приведенной на рис. 2.


Теоретической предпосылкой выполненных исследований явилось предположение о том, что несущая способность усиленной колонны может измениться в зависимости от способа ее нагружения – по всему сечению усиления, либо через её бетонное ядро (рис. 2).


Рис. 2. Исследуемые схемы нагружения опытных образцов колонн: а – схема нагружения по всему сечению усиления; б – схема нагружения бетонного ядра; 1 – бетонное ядро усиления; 2 – металлическая обойма
Для проведения экспериментальных исследований были изготовлены 16 опытных образцов призм сечением 100×100 мм и высотой 410 мм, усиленных металлической обоймой. Продольные элементы обоймы запроектированы из равнополочных уголков №20 соединенных между собой поперечными планками при помощи электродуговой сварки (рис. 2). Уголок и поперечные пластины приняты из стали С245 с механическими свойствами: σy=245 МПа; σu=360 МПа; Es=2.06105 МПа. Так же были изготовлены 8 опытных контрольных образцов призм без усиления с геометрическими размерами аналогичными образцам с усилением.

Опытные и контрольные колонны изготавливались из тяжелого бетона, прочностные и деформационные характеристики которого определялись при испытании специальных образцов (кубов, призм, балочек) и составляли: fcm=16,1 – 17,6 МПа; fctm=1,15 – 1,25 МПа; Ecm=(28,2 – 29,5)103 МПа.

Для приготовления бетона применялся портландцемент (ПЦ) класса 42,5 (активность 468) ПРУП «Кричевцементношифер». В качестве крупного заполнителя использовался гранитный щебень фракции 5 – 20 мм. В качестве мелкого заполнителя – кварцевый песок с объемным весом 1520 кг/м3 и модулем крупности 1,61. Бетонная смесь для бетонирования опытны призм приготовлялись с осадкой конуса 4 – 6 см и водоцементным отношением В/Ц=0,65.

Испытание опытных образцов проводилось в аккредитованной лаборатории отдела качества Могилевского облсельстроя по стандартной методике [2] в возрасте 28 суток. Для нагружения образцов использовался гидравлический пресс МС-500. Нагрузка на образец прикладывалась по физической оси, для чего было произведено центрирование образца по показателям индикаторов. Нагружения образцов производились ступенчато по 10 % от ожидаемой разрушающей нагрузки, непрерывно, без толчков, со скоростью нагружения 0,2 – 0,3 МПа в секунду. На каждой ступени нагрузки делались пятиминутные выдержки, во время которых производились снятия показаний по приборам: сразу же после приложения нагрузки и после пятиминутной выдержки. Нагрузка на образцы призм передавалась двумя способами.


Способ №1. Нагрузка передается на образцы призм усиленных металлической обоймой по всему сечению усиления (на бетонное ядро и металлическую обойму) (рис. 2, а).

Способ №2. Нагрузка передается на образцы призм усиленных металлической обоймой только на бетонное ядро, без нагружения металлической обоймы (рис. 2, б).

При нагружении контрольных образцов нагрузка передавалась на всё поперечное сечение.

Напряженно-деформированное состояние бетона опытных образцов исследовалось с помощью тензодатчиков и механическими индикаторами часового типа с ценой деления 0,001 мм. На каждой грани образца были установлены по три розетки тензодатчиков располагаемых по высоте.

Отсчеты по индикаторам и показания тензодатчиков снимались вплоть до разрушения образца. Деформации на нисходящей ветви диаграммы контролировались только по отдельным приборам. В момент разрушения опытных призм происходило раздробление бетона в средней части, сопровождаемое выпучиванием продольных уголков обоймы усиления.

При анализе результатов испытаний производилось сопоставление усилий, воспринимаемых при каждом способе нагружения колонн в отдельности. Напряжения в каждом способе нагружения определялись по фактическим диаграммам бетона на сжатие, деформации – по опытным значениям соответствующих деформаций (рис 3, 4).

Расчетные значения напряжений и относительных деформаций были получены решением пространственной конечно-элементарной модели с помощью численных методов (рис 3, 4).

На рис. 3 приведены изменения нормальных напряжений в зависимости от величины прилагаемой нагрузки и способа нагружения. Из чего видно, что по сравнению с контрольными образцами при нагружении образцов, усиленных стальной обоймой только через бетонное ядро для принятого класса бетона усиления несущая способность увеличивается на 62 %, а при нагружении по всему сечению (вместе со стальным обрамлением) несущая способность по сравнению с контрольными образцами увеличивается на 125 %. При этом значительно снижаются продольные деформации образцов, на 45 – 55 % для проектируемого класса бетона (рис. 4).




Рис. 3. Зависимость нормальных напряжений от способа нагружения опытных образцов: 1 – нагрузка передается на образцы призм усиленных металлической обоймой по всему сечению усиления (на бетонное ядро и металлическую обойму); 2 – нагрузка передается на образцы призм усиленных металлической обоймой только на бетонное ядро, без нагружения металлической обоймы; 3 – нагружение контрольных опытных призмы без усиления; по опытным значениям напряжений; по расчетным значениям напряжений



Рис. 4. Зависимость продольных деформаций от способа нагружения опытных образцов: 1 – нагрузка передается на образцы призм усиленных металлической обоймой по всему сечению усиления (на бетонное ядро и металлическую обойму); 2 – нагрузка передается на образцы призм усиленных металлической обоймой только на бетонное ядро, без нагружения металлической обоймы; 3 – нагружение контрольных опытных призмы без усиления; по опытным значениям напряжений; по расчетным значениям напряжений

Основные выводы.

Сопоставление экспериментальных и расчетных зависимостей показывает, что принятая конечно-элементарная модель правильно отражает характер и величину усилий в центрально сжатых элементах, усиленных металлической обоймой. Происходит перераспределение усилий в сечении опытной призмы с бетона на упруго работающую металлическую обойму усиления. Перераспределение усилий в сечении элемента зависит не только от деформационных свойств бетона, но и от величины деформаций обоймы усиления.

В результате экспериментального исследования установлено, что при передаче нагрузки только на бетонное ядро усиленной призмы (второй способ нагружения), разрушающая нагрузка составила 266 кН, что на 62 % больше чем у контрольных призм (третий способ нагружения). При передаче нагрузки на все сечение усиления (первый способ нагружения) разрушающая нагрузка составила 366,2 кН, что на 38 % больше чем при втором способе нагружения и на 125 % по сравнению с не усиленными образцами.

Анализ полученных результатов показывает, что наиболее эффективным является первый способ нагружения (рис. 3, 4), при приложении нагрузки по всему сечению усиления, что позволяет значительно повысить эффективность работы усиленных колонн, либо снизить расход материалов на усиление и нагрузки на нижерасположенные конструкции.



1. Рекомендации по оценке состояния и усилению строительных конструкций промышленных зданий и сооружений. – Москва: Стройиздат, 1991. – 184с. 2. ГОСТ 10180-90 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.