Новый метод усиления железобетонных сжатых колонн, основанный на использовании бетона и композита

Введение. Долгие годы работы по усилению сжатых железобетонных конструкций выполнялись методами, основанными на использовании железобетонных обойм и металлических внешних каркасов. Это достаточно трудоемкие и дорогие процессы. Внедрение композитных материалов в строительную индустрию позволило ускорить и упростить работы по усилению, однако в области сжатых элементов увеличить несущую способность конструкций прямоугольных или квадратных сечений оказалось очень материалоемким. Это связано прежде всего с ограничениями работы продольно расположенных углепластиковых материалов на сжатие и большим понижающим коэффициентом для поперечного композитного усиления. Однако разработка новых способов усиления, один из которых рассмотрен в данной научной работе, позволят увеличить эффективность композитных материалов, расположенных в поперечном направлении в 5–10 раз в зависимости от разных варьируемых факторов. Целью данной научной статьи является разработка и обоснование нового метода усиления железобетонных колонн при помощи смешанного бетонокомпозитного усиления.
Материалы и методы. За основу данного научного исследования были взяты результаты теоретических расчетов. Рассмотрен и рассчитан нормативный вариант усиления сжатого железобетонного элемента с выводом объема композитных материалов. На основе результатов нормативного расчета были внесены предложения, учитывающие влияние нового способа усиления, подробная методика расчета которого, также представлена в настоящей статье. Результаты теоретических расчетов по прочности и сопоставление необходимого объема используемых материалов усиления являются ключевыми при выполнении анализа и построения выводов. 
Результаты исследования. Результатом полученных исследований является разработанный, рассчитанный и обоснованный новый способ усиления, позволяющий сократить объем используемых композитных материалов при усилении сжатых железобетонных колонн.
Обсуждение и заключение. В работе были представлены и рассмотрены три примера расчета усиления железобетонной колонны композитными материалами. Один из которых, является нормативным, два других – предложенные авторами. Разработанный способ усиления подразумевает использование бетонных скруглений с дальнейшим оборачиванием композитными материалами. Данные скругления можно учитывать в расчете, а можно и принять их как конструктивные элементы. В любом случае эффект от предложенного способа усиления становится выше в 5,3 и 10,5 раз. Также в заключении даются дальнейшее идеи научных исследований, продолжающие разработку и исследование способа усиления центрально сжатых железобетонных колонн композитными материалами.

1. Иванов, Ю.В. Реконструкция зданий и сооружений: Усиление, восстановление, ремонт / Иванов Ю.В. // А.С.В. — 2012 — 312 с.

2. Тамразян, А.Г. Бетон и железобетон: проблемы и перспективы / Тамразян А.Г. // Промышленное и гражданское строительство. — 2014 — № 7 — С. 51–54.

3. Тамразян, А.Г. Бетон и железобетон – взгляд в будущее / Тамразян А.Г.// Вестник МГСУ. — 2014. — № 4. — С. 181-189.

4. Grace, N.F Development and application of innovative triaxially braided ductile frp fabric for strengthening concrete beams / Grace N.F., Ragheb W.F., Abdel-Sayed G. // Composite structures. — 2004 — V. 64. — № 3–4. — P. 521-530. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2003.09.051.

5. Корсаков, Н.В. Анализ повреждений и видов усилений сжатых железобетонных конструкций / Корсаков Н.В. // В кн.: Конкурс научно-исследовательских работ студентов Волгоградского государственного технического университета. тезисы докладов. Волгоград. — 2021. — С. 468–469.

6. Гроздов, В.Т. Усиление строительных конструкций при реставрации зданий и сооружений / Гроздов В.Т. // СПб. — 2005. — 114 с.

7. Данилов, С.В. Усиление железобетонных колонн стальными обоймами / Данилов С.В., Фомичева Л.М // В кн.: Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии. материалы международной научно-технической конференции. ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет», 2017. — С. 240–241.

8. Курбанов, З.А. Усиление сборной железобетонной колоны методом железобетонной обоймым / Курбанов З.А., Грушевский К.Е. // В сборнике: Инновационное развитие: потенциал науки и современного образования. сборник статей Международной научно-практической конференции: в 3 частях. — 2018. — С. 169–171.

9. Георгиев, С.В. Сравнение методов усиления железобетонных стоек с точки зрения экономической эффективности / Георгиев С.В., Соловьева А.И., Меретуков З.А. // Инженерный вестник Дона. — 2022. — № 2 URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_22__2_georgiev_solovyeva_meretukov.pdf_e8ebcad5b0.pdf

10. Маяцкая, И.А. Применение углепластиковых ламелей при усилении строительных конструкций / Маяцкая И.А., Польской П.П., Георгиев С.В., Федченко А.Е. // Строительство и техногенная безопасность. — 2018. — № 12 (64). — С. 33–38.

11. Horiguchi, T. Effect of test methods and quality of concrete on bond strength of CFRP sheet external reinforcement of concrete beams using fiber / Horiguchi T., Saeki N., Ritchie P.A. // Non-Metallic (FRP) Reinforcement for Concrete Structures Conference. — Japan. — 2001. — V. l. — P. 265–270.

12. Польской, П.П. Влияние различных вариантов внешнего композитного армирования на жесткость гибких сжатых элементов / Польской П.П., Георгиев С.В. // Инженерный вестник Дона. — 2017. — № 4. — URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2017/4826

13. Hutchinson, A. R. Flxural strengthening of concrete beams with externally bonded FRP reinforcement / Hutchinson A. R., and Rahimi, H // Proc., 2nd Int. conf. on Advanced compos.mat.in bridges and struct. — (ACMBS). — pp. 519-526.

14. Hussain, M. Flexural behavior of precracked reinforced concrete beams strengthened externally by FRP plates / Hussain M., Sharif A., Basunbul I.A., Baluch M.H. and AL Sulaimani G.J // ACI Struct.J. — 92(1). — pp. 14–22.

15. Khalifa, A. Shear performance of RC members strengthened with externally bonded FRP wrap / Khalifa A., Belarbi A., Nanni A. // Proceedings of 12th World Conference on Earthquake Engineering, Auckland, New Zealand – Jan 30-Feb 04. — 2000. — pp. 305-315.

16. Mander, J.B. Theoretical stress-strain model for confined concrete / Mander J.B., Priestly Park R. // ASCE Journal of Structural Engineering. — Vol. 114. — No. 8. — 1988. — pp. 1804-1826.

17. Польской, П.П. О программе исследования сжатых железобетонных элементов, усиленных композитными материалами на основе углепластика / Польской П.П., Георгиев С.В. // Научное обозрение. — 2014. — № 10–3. — С. 662–666.

18. Георгиев, С.В. К определению прочности бетона, обжатого композитными материалами, расположенными в поперечном направлении / Георгиев С.В., Меретуков З.А., Соловьева А.И. // Инженерный вестник Дона. — 2021. — № 10 (82). — С. 240–250.

19. Георгиев, С.В. Сравнение методик усиления внешним армированием композитных материалов / Георгиев С.В., Меретуков З.А., Соловьева А. И. // Инженерный вестник Дона. 2021. — № 10. — URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n10y2021/7221

20. Matthys, S. Structural behavior and design of concrete members strengthened with externally bonded FRP reinforcement / Matthys S. // Doctoral thesis, Gent University. — 2000.

21. Мухамедиев, Т.А. Расчет внецентренно сжатых железобетонных конструкций, усиленных обоймами из композиционных материалов / Мухамедиев Т.А., Кузеванов Д.В. // Бетон и железобетон. — 2014. — № 2. — С. 18-20.

22. Мухамедиев, Т.А. Проектирование усиления железобетонных конструкций композиционными материалами / Мухамедиев Т.А. // Бетон и железобетон. — № 3. — 2013. — С. 6–8.

23. Георгиев, С.В. Способ усиления железобетонной колонны прямоугольного или квадратного сечения композитными материалами / Георгиев С.В., Маилян Д.Р., Соловьева А.И. // Патент на изобретение 2775852 C1 – 11.07.2022 – Заявка № 2021133930 от 22.11.2021.

24. Георгиев, С.В. Способ усиления железобетонной колонны прямоугольного или квадратного сечения / Георгиев С.В., Маилян Д.Р., Соловьева А.И. // Патент на изобретение 2773490 C1. — 06.06.2022. — Заявка № 2021133929 от 22.11.2021.