A New Method of Strengthening the Compressed Reinforced Concrete Columns Based on the Use of Concrete and Composite Materials

Introduction. For many years strengthening of the compressed reinforced concrete structures was fulfilled by methods based on using reinforced concrete cages and outer metal frames. These are rather time-consuming and expensive processes. The implementation of composite materials in the construction industry made it possible to quicken and simplify the works on strengthening, however with regard to compressed elements it turned to be very resourcedemanding to increase the bearing capacity of rectangular or square section structures. This is primarily due to the limitation in compression strain of the longitudinally located carbon fiber materials and a large decreasing coefficient for transverse composite strengthening. However, the development of new methods of strengthening, including the one considered in this work, will increase the efficiency of composite materials located in the transverse direction by 5–10 times, depending on different variable factors. This article aims to develop and justify a new method of strengthening the reinforced concrete columns by using mixed concrete-composite reinforcement.
Materials and methods. This research relies on the results of theoretical calculations. The standard variant of strengthening a compressed reinforced concrete element has been considered and calculated as well as composite materials volume has been specified. Based on the standard calculation results the proposals, which take into account the effect of a new strengthening method, have been made in this article, the detailed methodology of calculation thereof has also been presented. The results of theoretical strength calculations along with comparison of the required volume of reinforcement materials are the key issues in the analysis and drawing conclusions.
Results. The research has resulted in development, calculation and justification of the new method of strengthening, which allows reducing the volume of composite materials required for strengthening the compressed reinforced concrete columns.
Discussion and conclusion. Three variants of calculating the strengthening of a reinforced concrete column with composite materials have been presented and reviewed in this work. One of which is a standard one, the other two are proposed by the authors. The developed method of strengthening implies rounding of concrete followed by jacketing with composite materials. These roundings can be considered in calculation or can be referred to as structural elements. In any case, the strengthening effect received from the proposed method becomes 5.3 and 10.5 times higher. Besides, further research ideas for continuing the development and study of the method of strengthening the centrally compressed reinforced concrete columns with composite materials are given in conclusion.

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.