Почему обойма важна для бетонных колонн
Когда осевая нагрузка приводит бетонную колонну к разрушению, бетон расширяется в поперечном направлении и в конечном итоге разрушается. Обертывание колонны углеродной тканью создает пассивную обойму: по мере расширения ядра обойма из CFRP развивает кольцевое растяжение, которое сдерживает это расширение. В результате возникает трехосное напряженное состояние, повышающее как прочность на сжатие, так и, что не менее важно, деформационную способность. Для сейсмической реконструкции и усиления несущей способности эта добавленная пластичность часто является определяющей целью проектирования.
Модель обоймы ACI 440.2R
ACI 440.2R, «Руководство по проектированию и строительству систем внешнего армирования FRP для усиления бетонных конструкций», содержит наиболее широко используемую модель обоймы. Для круглой колонны прочность на сжатие обоймы ядра составляет:
f'cc = f'co + 3,3 . ka . f'l
где f'co — прочность необойменного бетона, ka — коэффициент формы/эффективности (1,0 для хорошо обойменного круглого сечения), а f'l — эффективное боковое обжимающее давление, создаваемое обоймой из CFRP. Боковое давление равно:
f'l = 2 . n . tf . Efu . efe / D
Здесь n — количество слоев углеволокна, tf — номинальная толщина слоя, Efu — модуль упругости волокна, efe — эффективная расчетная деформация волокон, D — диаметр колонны. Преобразуя для определения необходимого количества слоев, получаем:
n = (f'l . D) / (2 . tf . Efu . efe)
Ключевым моментом является выбор efe. ACI 440.2R ограничивает эффективную деформацию, чтобы предотвратить разрыв обоймы и учесть запаздывание деформации между волокнами и расширяющимся ядром. Для расчета прочности круглых колонн efe обычно ограничивается значением 0,004.
Пошаговый расчет: пример
Предположим, круглая колонна диаметром 500 мм с f'co = 30 МПа должна быть усилена до f'cc = 42 МПа. Используем углеродную ткань FidStrong FSC-300A (на основе ПАН, T700, 300 г/м2) с номинальной толщиной слоя tf = 0,167 мм, модулем упругости Efu = 230 ГПа и прочностью на растяжение не менее 3400 МПа.
- Требуемое боковое давление. Из f'cc = f'co + 3,3 . ka . f'l при ka = 1,0: f'l = (42 - 30) / 3,3 = 3,64 МПа.
- Эффективная деформация. Используем efe = 0,004 согласно расчету прочности по ACI 440.2R.
- Определение количества слоев. n = (3,64 . 500) / (2 . 0,167 . 230000 . 0,004) = 1820 / 307,3, что составляет около 5,9. Округляем до 6 слоев.
- Проверка коэффициента обоймы. При 6 слоях фактическое f'l = 2 . 6 . 0,167 . 230000 . 0,004 / 500 = 3,69 МПа, что дает f'cc около 42,2 МПа. Расчет выполнен.
Для цели только обеспечения пластичности (без увеличения прочности) ACI 440.2R позволяет использовать более высокое efe и меньшее количество слоев, поскольку обойма должна активироваться только при больших деформациях. Всегда проверяйте, какое предельное состояние является определяющим, перед окончательным выбором n.
Прямоугольные колонны и коэффициент формы
Обойма гораздо менее эффективна для квадратных или прямоугольных колонн, так как обойма перекрывает углы и оставляет плохо обойменные зоны вдоль плоских граней. ACI 440.2R учитывает это с помощью коэффициентов эффективности ka и kb, оба меньше 1,0, которые зависят от радиуса закругления углов rc и размеров сечения. Практически, для прямоугольных сечений требуется минимальный радиус закругления углов 25 мм (достигается шлифовкой или выравниванием раствором), и обычно требуется на 30-60% больше материала, чем для круглой колонны эквивалентной площади при том же увеличении прочности. Для очень тонких или сильно вытянутых прямоугольных сечений вместо этого рассмотрите FRCM или стальную обойму.
Выбор материала и монтаж
Обойменные обертки используют однонаправленную ткань с волокнами, ориентированными перпендикулярно оси колонны (кольцевое направление 0 градусов). FSC-300A (300 г/м2, класс A, T700) является основным типом для колонн; FSC-200C (200 г/м2, класс C, T300) подходит для более легких усилений пластичности. Каждый слой пропитывается конструкционным эпоксидным клеем — пропиточным адгезивом FSE 322 (Tg не менее 60C), наносимым методом мокрой укладки поверх эпоксидной грунтовки FSE 302. Обеспечьте минимальный нахлест ткани 100 мм в месте окончания для предотвращения отслаивания, а поверхность бетона должна быть сухой и иметь температуру выше 10C во время отверждения.
Часто задаваемые вопросы
Существует ли максимальное количество слоев?
ACI 440.2R не устанавливает жесткого ограничения, но после примерно 6-8 слоев прирост прочности снижается, а риск расслоения возрастает. Если шесть слоев не достигают цели, пересмотрите геометрию сечения или комбинируйте обойму с уширением сечения.
Улучшает ли обойма изгибную способность?
Непосредственно нет. Обойма в кольцевом направлении сопротивляется осевому и сдвиговому расширению; она добавляет пластичность и осевую прочность. Для увеличения изгибной способности добавьте продольные пластины из CFRP или ткань, ориентированную вдоль оси колонны.
Какую эффективную деформацию следует использовать?
Используйте efe = 0,004 для расчета прочности круглых колонн по ACI 440.2R. Для сейсмического расчета на пластичность следуйте более высоким пределам деформации в сейсмической главе норм и всегда проверяйте предельное удлинение волокна (1,7-1,8% для ткани FSC).