Одним з перспективних способів підсилення залізобетонних колон є посилення наклейкою стрічок з композитних матеріалів (КМ) зі скло. вугле- і арамідних волокон. Наклейка стрічок може вестися як уздовж колон, так і в поперечному напрямку для створення замкнутих хомутів-бандажів. Ефективність посилення експериментально підтверджена дослідниками в нашій країні [2] і за кордоном.
У європейській системі нормативних документів на сьогоднішній день також відсутній нормативний документ для проектування конструкцій із застосуванням композитних матеріалів. Такий документ за інформацією європейського технічного комітету CEN TC 250 перебувати в стадії розробки. На сьогоднішній день в Європі випущений науково-технічний і інформаційний бюлетень FIB [7].
З ростом обсягів проектування та виконання робіт з підсилення конструкцій із застосуванням КМ увагу в нашій країні з боку проектувальників і дослідників до документа [1] збільшується.
- напрямок наклейки КМ;
- форми перетину колони;
- типу обойми (суцільна і розріджена у вигляді т.зв. бандажів або спіралі);
- ексцентриситету поздовжніх сил.
Урахування принципу посилення: Необхідно чітко розділяти принципи посилення: установка додаткової арматури в розтягнутій зоні колони або створення обойм для підвищення міцності бетону за рахунок створення об'ємного напруженого стану. Незважаючи на очевидність відмінностей, практика експертизи реалізованих підсилень показує необхідність чіткого розмежування принципів підсилень та похідних від них конструктивних вимог.
Крім цього, особливу увагу при проектуванні слід приділяти забезпеченню анкерування поздовжніх стрічок, яка повинна здійснюватися закладом волокон за розрахунковий переріз на довжину, достатню для передачі зусилля на стрічку. Так як, як правило, розрахунковий переріз для колон розташоване вгорі і внизу колон дана вимога пов'язане з необхідністю пристрою наскрізних отворів в плитах перекриттів, що істотно ускладнює застосування даного рішення.
Облік форми підсилюється розтину стає визначальним при іншому принципі посилення - наклейці смуг КМ (напрямок волокон перпендикулярно осі елемента, що підсилюється) у вигляді замкнутих елементів бандажів. Виникає при цьому ефект обойми, веде до збільшення міцності бетону.
Даний механізм підвищення міцності використовується в побічно армованих елементах [5] і трубобетонних.
Аналіз теоретичних і експериментальних зарубіжних досліджень представлений вроботі А.А. Шиліна та ін. [6].
Запропонований в Рекомендаціях [1] метод розрахунку колон з обоймами заснований на методі граничних зусиль, при цьому початкові зусилля в колонах, посилювати під навантаженням не враховуються. Тим часом, не врахування даного фактора може істотно знижувати ефективність посилення, так як початкових зусиль, а отже поздовжніх і поперечних деформацій, вже проявилися до посилення, не викличуть зусиль в конструкції посилення. Логічно думати, що негативний вплив даного чинника буде більш значніше, ніж більше посилення діє в колоні в момент посилення. Методика розрахунку стиснутих елементів, підсилених КМ в ACI [4] заснована на дослідженнях Дж. Мандера 1988р, який для циліндричних зразків при центральному стиску в металевій обоймі запропонував наступну залежність:
Подальші дослідження з зовнішнім армуванням КМ була показана можливість поширення цієї формули і для даного способу, при цьому максимальне радіальне тиск обойми запропоновано оцінювати за формулою (2).
Де efе Ef - 0,75Rf - допустиме максимальне напруження в обоймі; ka = 1,0 коефіцієнт ефективності обойми для круглого перетину; ka <1.0 - для прямоугольного сечения, pf - отношение площади сечения самой обоймы из углепластика к площади усиливаемого сечения (по нормальному сечению колонны).
Основна критика такого підходу пов'язана із закладеною в розрахункову модель постійною величиною бічного тиску на всіх етапах навантаження.
Зазначена модель увійшла в Керівництво [1], в тому числі в якості спрощеного розрахунку прямокутних перетинів:
Однак, згідно з закордонним дослідженням коефіцієнт ефективності обойми ka для колон прямокутного перерізу, не є постійним і залежить від радіуса заокруглення граней. У ACI ka пропонується обчислюється за формулою:
де b, h - габарити прямокутного перерізу колони, r - радіус заокруглення граней, e - коефіцієнт армування.
На рис.1 наведені значення коефіцієнта ефективності обойми ka для колони квадратного перетину в залежності від габаритів і радіуса заокруглення граней при однаковому коефіцієнті армування.
Малюнок 1. Графік залежності коефіцієнта k а від розмірів прямокутного перетину.
Як випливає з графіка на рис.1 для квадратних перетинів ka змінюється в діапазоні від 0.33 до 0.75. Таким чином, відхилення формули (3) від норм ACI може становити від 15 до 30% в бік завищення міцності бетону Rb, hoop.
У цьому випадку для визначення приведеної міцності бетону для колон прямокутного перерізу можна рекомендувати користуватися загальною залежністю, яка виражається формулами (1) і (2) з підстановкою величини коефіцієнта ефективності обойми прямокутного перетину, уточненої за формулою (4). Такий підхід цілком узгоджується з закордонними нормами.
Облік виду обойми: Слід врахувати, що в Керівництві [1] розглянуто тільки варіант посилення із суцільним обгортанням колони по всій висоті. Приклейка бандажів з розрядженням по висоті (см. Рис. 2) цим документом не передбачена. Разом з тим досить часто на практиці реалізується приклейка стрічок-бандажів з певним кроком.
Малюнок 2. Розрахункова схема колони, посиленою окремими бандажами (розріджений по висоті посилення).
У європейському бюлетені FIB [7] дається методика з обліку ефективності обойми за допомогою коефіцієнта ke. враховує зменшення площі обжатого бетону між хомутами (рис. 2), але тільки для круглих колон:
Значення коефіцієнта Kе. визначеного залежно від відносного розміру проміжку між бандажами або витками спіралі s '/ D, представлені на малюнку 3. З малюнка слід, що для круглих колон у міру збільшення відстані між витками ефективність обойми значно знижується, і при відстанях, рівних 0,5 1 діаметр колони становить 50-20% відповідно.
Малюнок 3. Графік залежності коефіцієнта k е від відносної відстані між бандажами / витками (див. Рис. 2).
Облік ексцентриситетів поздовжніх сил: Більшість експериментальних даних ірасчетних моделей було отримано при центральному стиску. Крім того в вихідному документі норм ACI [4] методики розрахунку з урахуванням ефекту обойми (формули (1) і (2)) відносяться тільки до центрально стиснутим елементам. Однак в керівництві [1] мало чітко обумовлена застосовність формул в разі стиснення з ексцентриситетом. Вказівки про підвищення розрахункової міцності бетону за рахунок ефекту обойми тільки при осьовому стисненні є лише в п. 4.3.1 (б) [1]. Для подальших розділів такого згадки немає, що може ввести в оману проектувальників, мало знайомих з деталями і особливостями методик розрахунку.
З формули видно, що при ексцентриситеті e> 0.13def значення в дужках у другого доданка ставати негативним, що призводить до зникнення впливу обтиску бетону.
Дані уявлення про кордон прояви ефекту обойми за різними нормами проектування добре узгоджуються між собою. Звідси можна рекомендувати область застосування посилення колон з КМ обойм - випадки стиснення з ексцентриситетом не більше 0,1h (h - висота або діаметр перетину).
Дане обмеження слід враховувати при користуванні Керівництвом [1]. Необхідно відзначити, що ряд питань несучої здатності колон, підсилених КМ залишаються в нашій країні вивченими недостатньо, а саме:
- не досліджене посилення колон під навантаженням;
- недостатньо вивчені колони з посиленням мають велику гнучкість (l> 14);
- вимагають додаткової перевірки надійність запропонованих розрахункових залежностей в [1], так як запозичені з ACI формули розроблялися на основі узагальненого коефіцієнта запасу (подобу методу по руйнівних зусиллях), тоді як вітчизняні норми проектування мають в своїй основі полувероятностную модель з системою приватних коефіцієнтів надійності.
- При проектуванні підсилення колон необхідно чітко розрізняти спосіб посилення: додаванням розтягнутої арматури або створенням ефекту обойми.
- Для прямокутних перетинів не рекомендується користуватися формулами (4.71) - (4.73) Керівництва [1]. Уточнений розрахунок рекомендується вести за формулами (4.76), (4.77), (4.82) Керівництва [1] або (1), (2), (4) цієї статті.
- У керівництві [1] представлені формули для суцільної обойми підсилення по всій висоті колони. Для розріджених обойм підсилення (т.зв. посилення бандажами) слід враховувати зниження ефекту обойми бетону за формулою (5).
- Ефект обойми рекомендується враховувати при відносному ексцентриситеті поздовжньої сили не більше e / h<0.1.
- Положення керівництва [1], стосовно до розрахунку стиснутих елементів потребують коригування з урахуванням результатів сучасних зарубіжних і російських досліджень, в тому числі досліджень надійності розрахункових методик.