Усилването и подобряването на товароносимия капацитет на стоманобетоновите конструкции доскоро беше значителен проблем, защото изискваше значителни усилия, време и място за да бъде решен. Главният недостатък на познатите до момента методи е в трудността на изпълнението им. Научните изследвания в тази насока доведоха до развитието на нови усилващи системи използващи композитни материали (Fiber Reinforced Polymers-FRP), които подобряват механичните свойства на усилените елементи чрез залепване към тях с епоксидни смоли.
Използването на композитни материали в строителството дава възможност да се увеличат якостите на огъване, срязване и изпълнение на затворени елементи под натиск (увеличена якост на бетона на срязване). Освен това се постига увеличение на еластичността на гъвкавите сеизмични връзки, както и на изискванията на граничните условия (намаляване на деформациите и очакваните пукнатини).
Усилването може да се приложи при стоманобетонни елементи като греди, трегери, плочи, колони, греди с T-образно сечение, бетонни стени, възли, както и при зидарии и дървени елементи.
Композитните материали се състоят от високоякостни карбонови, стъклени или армирани нишки, съответно поставени на полимерна матрица или изтъкани на плат (еднопосочно или двупосочно), така че образуват относително твърди плочи или еластичен плат. Те работят като външна армировка, залепена за елемента чрез епоксидна смола, която понася опъновите напрежения в посока на нишките.
За правилното проектиране и прилагане на новата система за усилване с използването на композитни материали, на разположение са техническия доклад на “ Feederation Internationale Du Beton (2001)“- „ Външно залепена FRP армировка за стоманобетонни елементи“, както и голям обем научна литература за по-късни разработки в областта.
В отговор на нуждите на строителния бранш и на пазара за системи за усилване на конструкциите чрез композитни материали, ISOMAT в сътрудничество с катедра “Масивни конструкции” при Университета по Архитектура, Строителство и Геодезия, София, с ръководител доц. д-р инж. Димитър Паничков разработи експериментална програма за изследване и приложение на цялостните системи за усилване с композитни материали на ISOMAT.
1. Напрегнато и деформирано състояние на дефектирала стоманобетонна греда с плочогредово сечение, усилена с карбонови нишки.
При поставения проблем и в търсенето на адекватни и съвременни решения е подготвен и проведен експеримент за изследване възможността за усилване на дефектирала греда с плочогредово сечение с MEGAWRAP-200. Натоварването се осъществява посредством хидравлична преса създаваща статично натоварване. Преди структурно усилване с карбон, първата пукнатина (нормална) се появява при сила 37,5 kN, а недопустима пукнатина при 97,5 kN. При 105 kN настъпва разрушаване на гредата. Дефектиралата греда се усилва с MEGAWRAP-200 и EPOMAX-LD, по метода за усилване с композитни материали и се натоварва отново. При натоварване със сила до 52,2 kN се наблюдава преобладаваща еластична работа на елемента. При 112,5 kN се появява вертикална пукнатина в карбоновото стреме, а при 120 kN настъпва разрушаване. На базата на направените изследвания се достигна до заключение, че усилването с карбонови нишки стабилизира дефектиралия елемент и гарантира еластичната му работа. При монолитни стоманобетонови елементи работещи на огъване, следва да се отчита достатъчно точно съдействащата широчина на плочата и се препоръчва при усилване с карбон в опънната зона, обвиването с MEGAWRAP-200 да се реализира в зоната на наличната армировка.
Натоварване на усилената греда:
Скъсване на MEGAWRAP-200 при изпитването на усилената греда.
Съпоставка на получените резултати преди и след усилване с MEGAWRAP-200.
2. Напрегнато и деформирано състояние на стоманобетонна греда, подложена на динамично и статично натоварване преди и след усилване с карбонови нишки
Усилването на стоманобетонни елементи, работещи в условията на постоянно и циклично, променливо динамично натоварване, представлява особен интерес по три основни причини. Първо, тъй като елементът едновременно работи с определени постоянни и полезни товари, като чисто статическо състояние, върху който се добавят циклично променливи динамични товари, предизвикващи едно или двузначно напрегнато и деформирано състояние. Второ, поради характера, интензивността и многообразието в действието на динамичните натоварвания създава условия за много специфично поведение на стоманобетонните елементи. Третата причина е съвместната работа на стоманобетонния елемент, усилен със съвременни материали, както и преразпределението на усилията между тях при умора.
Опитният образец преди усилване се подлага на циклично променливо натоварване в продължение на 2 х106 цикъла, след което при липса на видимо нарушение на носимоспособността на гредата се извършва статично натоварване на стъпки до разрушаване. Разрушената греда се усилва по системата за цялостно усилване с композитни материали. Усилването в опънната зона на гредата се осъществява посредством карбонова лента MEGAPLATE, залепена с епоксидна паста EPOMAX-PL. В напречна посока, във вид на стремена се поставят ивици от карбонов плат MEGAWRAP-200 залепени с епоксидна смола EPOMAX-LD. Така усилената греда отново се натоварва на циклично променливо натоварване. При достигане на 40000 цикъла не се наблюдават видими нарушения в усилването. След циклично натоварване се извършва статично натоварване на стъпки до разрушаване. На базата на получените резултати се установява 44% увеличение на носимоспособността на усилената греда. Усилването с MEGAWRAP-200 и MEGAPLATE дава възможност за увеличаване на експлоатационния живот на елемента и може да се използва за конструктивни елементи подложени на циклично променливи натоварвания.
Експериментална постановка за изпитване на усилената греда:
Отчети от Meс-доза и провисване в средата на неусилената греда;
Отчети за натоварване и провисване на усилената греда.
3. Изследване на носещата способност на тухлен зид, усилен с композитни материали
Осигуряване на експлоатационна годност на големия брой, съществуващи зидани конструкции в сеизмични райони, налага разработването на методи за тяхното възстановяване, реконструкция и усилване, използващи системите за усилване на конструкции с плат от карбонови нишки MEGAWRAP-200. На основа на проведения експеримент, касаещ работата на носещи тухлени зидове, са направени изчисления, отнасящи се до определянето на носещата способност под действието на концентрирано вертикално натоварване.
Експерименталният модел е изпълнен от единични плътни тухли. По четирите ръба на модела са отлети тънки стоманобетонни пояси за стабилизиране и изравняване на краищата му. Носещата способност на тухления зид е експериментално изследвана както преди, така и след неговото усилване. Изпълнената тухлена стена е подложена на концентрирано стъпалообразно вертикално натоварване, реализирано с помощта на маслен крик (с максимален обхват 50 t). Якостта на натиск на зидарията преди усилване бе определена на 490,24 kN или 49,02 тона. Разрушената зидария бе усилена по системата за конструктивно усилване с плат от карбонови нишки MEGAWRAP-200. При повторно натоварване на вече усилената тухлена стена, процесът на деформация е силно ограничен, поради подходящото разполагане на усилващите ленти. При достигане на максималния възможен товар за използвания крик ( 500 kN или 50 t), не се получават допълнителни напуквания и разширения на вече съществуващите пукнатини, отлепване или други дефекти, което доказва ефективността на системата за конструктивно усилване с композитни материали. Резултатите от направените експерименти показват, че след прилагане на метода за усилване се увеличава носимоспособността и дуктилността на елемента, без да се променя неговата геометрия. Освен това, композитните материали имат по-висока якост и коравина на единица обемно тегло в сравнение с другите материали, което означава по-малко количество при еднакви якостни характеристики. Ориентирането на нишките в желаната посока позволява оптимално използване на качествата на композита за осигуряване на необходимата степен на усилване.
Усилен тухлен зид с карбонови ленти MEGAWRAP-200;
Натоварване на усилената тухлена зидария с маслен крик с капацитет 50 t.
4. Напрегнато състояние на дефектирала стоманобетонна греда усилена с карбонови нишки
Усилването на стоманобетонни греди в строителната практика се налага много често, поради увеличаване на полезното им натоварване, настъпили повреди поради неправилна експлоатация или промяна на изискванията на действащите норми. Усилването трябва да бъде такова, че освен повишаване на носещата способност на елементите, да се създаде и необходимата коравина. Това е особено важно при връзката между греда и колона. За експерименталното проучване е подготвена стоманобетонна греда, ставно свързана с две колони. За осъществяване на реалната задача, между колоните и ригела е изпълнена куха тухлена зидария. Цялата композиция се натоварва с вертикална и хоризонтална сила до разрушаване. Разрушената греда се усилва по системата за конструктивно усилване с епоксидна смола EPOMAX-LD и плат от карбонови нишки MEGAWRAP-200, при което се налага премахване на четирите горни реда тухли. Премахването на част от тухления зид води до значително намаляване на носимоспособността за хоризонтално натоварване. Целта на усилването е да се закоравят възлите за получаване на рамково действие между колоните и гредата и усилване на гредата в опънната зона за поемане на момента и срязващи сили. Максималният момент, който може да поеме гредата преди усилване е 12,62kN, а максималната вертикална сила 28,84kN. След усилване с карбонов плат MEGAWRAP-200 максималният момент се увеличава на 34,18kN, а максималната вертикална сила на 112,6kN. Проведените изследвания дават основание да се приеме, че усилването с карбон е ефективно, в смисъл че не променя характера на работа на стоманобетонните елементи, а само повишава неговата носимоспособност и гарантира по-съществено възстановяване на част от консумираното физическо износване.
След настъпване на разрушение, гредата се усилва с плат от карбонови нишки MEGAWRAP-200, при което се налага да се премахнат част от тухлите в горната зона.
Натоварване на усилената конструкция
Конструктивно усилване с MEGAWRAP-200 на мост “Хайнбоаз” изпълнено от K&K Проджект груп
Цялостно усилване на плоча чрез карбонови ленти MEGAPLATE.
Подобряване на сеизмичното поведение на пластична връзка (става).
Конструктивно усилване с MEGAWRAP-200 на естакада в ТЕЦ “Марица Изток” 2, изпълнено от “Арес Инжинеринг”.
Конструктивно усилване с MEGAWRAP-200 на Училище по застраховане и финанси, София, изпълнено от “А&К Инжинеринг”.