Презентація неметалевої арматури

Canada

NSERC Research Chair in Innovative Fibre Reinforced Polymer (FRP) Reinforcement for Concrete Infrastructure

Применение композитной арматуры в бетонных

конструкциях Брахим Бенмокрэйн,

(FACI, FCSCE, FIIFC, FCAE) (Профессор кафедры гражданского строительства

(Совет по изучению естественных и технических наук) Исследование армирующих материалов для бетона

на основе полимерных композитов Кафедра исследования современных ПАВ материалов для

Строительства гражданских объектов Университета Шербрук

Шербрук, Квебек, КАНАДА, J1K 2R1E-mail: [email protected]

Canada


Введение Брахим Бенмокрэйн дипломированный инженер

(FACI, FCSCE, FIIFC, FCAE) Профессор кафедры гражданского строительства

(Совет по изучению естественных и технических наук) Исследование армирующих материалов для бетона на основе

полимерных композитов Кафедра исследования современных ПАВ материалов для

Строительства гражданских объектов Университета Шербрук

Шербрук, Квебек, КАНАДА, J1K 2R1 E-mail: [email protected]

Canada


Часть 1

Свойства и применение композитной арматуры

1. Свойства композитной арматуры, нормы и стандарты.

2. Долговременное испытание прочности на образцах из реализованных объектов.

3. Область применения.

Canada


1.Свойства композитной арматуры, нормы и стандарты

Canada


СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение 2. Элементы арматурного стержня на основе

ПАВ материала 3. Свойства композитных стержней 4. Технические условия, стандарты и

требования

Canada


Разрушение бетонных конструкций из-за коррозии стальной арматуры - одна из основных задач, с которой столкнулась строительная отрасль.

Тысячи конструкций в Северной Америке и во всем мире (мосты, автомобильные парковки, пр.).

Стоимость рынка - миллиарды долларов США.

Введение

Canada


ЕЖЕГОДНЫЙ СПРОС НА АРМАТУРНЫЕ СТЕРЖНИ

5 миллиардов м в США

• 35 миллиардов м в мире

• 6,050,000 тонн в 2010 в США

• 500,000 тонн в Канаде в 2010

Источник: CRSI Институт железобетона (2010)

Введение

Canada


Коррозия стальной арматуры

Введение

Canada


Инновационные разработки в области полимерных технологий послужили толчком к развитию арматурных композитных стержней последнего поколения (преимущественно СП стержни). Коррозионно-устойчивые композитные стержни могут защитить мосты и объекты гражданской инфраструктуры от разрушающего воздействия коррозии.

ВВЕДЕНИЕ

Canada


Высококачественные композитные стержни (в основном СП), сертифицированные согласно Канадской ассоциации по стандартизации (CSA S807) и отвечающие техническим условиям Американского института бетона (ACI 440.6), являются доступным решением проблемы армирования и альтернативой традиционной стали, которая используется в бетонных конструкциях в агрессивной среде.

ВВЕДЕНИЕ

Canada


CAN/CSA-S807-10 “Технические условия по полимерным материалам, армированным волокном".

ВВЕДЕНИЕ

Canada


ACI 440.6-08 “Технические условия по арматурным стержням на основе углеродного и стекловолокна для бетона”.

ВВЕДЕНИЕ

Canada


Волокно

+

Полимеры, армированные волокном (ПАВ)

Полимеры (смола)

ПАВ (композитный материал)

Canada


Полимеры, армированные волокном (ПАВ)

Волокно

Матрица смолы

Canada


Спрос на ПАВ материалы для объектов гражданской инфраструктуры постоянно растет. Области применения ПАВ:

– арматурные стержни и преднапряженные элементы (конструкции нового типа) – стержни, намотка и ламинаты (реализованные конструкции) – композитные плиты мостового настила – конструкционные системы из композитов

Полимеры, армированные волокном

Canada


Виды изделий из ПАВ

Canada


Стандартные композитные стержни

Арматурные композитные стержни

Canada


Стандартные композитные стержни


Canada



Canada



Canada


Сгиб арматуры производится на заводе до этапа отверждения смоляной матрицы.

В областях изгиба разрывная прочность композитных стержней ниже в отличие от прямой арматуры.

Исследования показали, что максимальная нагрузочная способность СП стержней в области изгиба составляет ~ 50% от аналогичного показателя прямых стержней.


Canada


Состав композитной арматуры

Что представляют собой стержни на основе

полимеров, армированных волокном?


Canada


• Волокна (армирующий материал)

• Смола (Полимер) Прочие составляющие композитных

стержней:

• Наполнители

• Добавки

Состав композитных стержней:


Canada


• Волокно: механическая прочность

• Смола: химстойкость


Canada


Основное назначение волокна:

• выдерживать нагрузки

• обеспечивать прочность

• расположены по направлению основных нагрузок


Canada


Основные функции волокна:


Canada


Типы волокна, представленные на рынке • арамидное • борное • углеродное • стекляное • базальтовое • нейлоновое • полиэтиленовое • полипропиленовое

Применение в гражданском строительстве


Canada


Типичные механические свойства волокна ТИП ВОЛОКНА

Разрывная прочность

[MПa]

Модуль упругости

[ГПa]

Удлине-ние [%]

Коэффи. Термического

расширения. [x10-

6]

Коэффи-циент

Пуассона

УГЛЕРОДНОЕ ВОЛОКНО

ПАН-волокна

Высокая прочность

3500 200-240 1.3-1.8

(-1.2) до (-0.1) (FL) 7 до 12 (frpT)

-0.2 Высокий

модуль упругости

2500-4000 350-650 0.4-0.8

Шаг

Стандарт-ный 780-1000 38-40 2.1-2.5

(-1.6) до (-0.9) (frpL)

нет данных

Высокий модуль упругости

3000-3500 400-800 0.4-1.5

АРАМИДНОЕ ВОЛОКНО Kevlar 29 3620 82.7 4.4 нет данных

0.35

Kevlar 49 2800 130 2.3 -2.0 (FL), 59 (FT) Kevlar 129 4210 (est.) 110 (est.) -- нет данных Kevlar 149 3450 172-179 1.9 нет данных Twaron 2800 130 2.3 (-2.0) (FL), 59 (FT) Technora 3500 74 4.6 нет данных СТЕКЛОВОЛОКНО E-Glass 3500-3600 74-75 4.8 5.0 0.2 S-Glass 4900 87 5.6 2.9 0.22 Щелочестойкое стекло 1800-3500 70-76 2.0-3.0 нет данных нет

данных


Canada


Основные функции смолы: • передача напряжения между волокнами • обеспечение боковой поддержки и предотвращение вспучивания • защита волокон от механических повреждений и отрицательного влияния внешних факторов


Canada


ТЕРМОРЕАКТИВНЫЕ СМОЛЫ:

• полиэфирная (вести отвердитель для пропитки стекловолокна, запрещена Нормативными документами) • винилэфирная • эпоксидная


Canada


График зависимости деформаций от нагрузок в композитных стержнях


Canada


– Волокно (углеродное, стекляное, арамидное, базальтовое)

– Смола (винилэфирная, эпоксидная)

ПРОЦЕСС ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХ СТЕРЖНЕЙ:

creelresin tank

shapingand

heating die

puller


Canada


композитные стержни

Стекловолокно


Canada


Производство по технологии пултрузии


Canada



Canada



Canada



Canada


Невосприимчивы к хлор-ионам и кислотам

Разрывная прочность выше, чем у стали (от 2 до 6 раз)

¼ массы стальной арматуры

прозрачны к магнитным и радио-полям (СП стержни)

диэлектрики (СП стержни)

не проводят тепло (СП стержни)

Преимущества композитных

арматурных стержней

Canada


Любые бетонные конструкции, армированные стальной арматурой, которая подвержена коррозии из-за действия хлорид-ионов или химических веществ:

Бетон, контактирующий с антиобледенительными солями : мостовой настил, дорожные ограждения, плиты, парковки, железнодорожные переходы, хранилища соленых субстанций

Бетон, подверженный воздействию соленой среде моря: ограждающие конструкции, здания и сооружения в близи водной среды, сооружения аквакультуры, искусственные рифы и водоотводы, плавающие платформы

Туннели и шахты: участки «софт-ай» при работах на буровой машине (TBM’s) и временном строительстве, гвозди, цистерна для электролитов и добычи

Где можно использовать композитную арматуру?

Canada


Прочие случаи с активной коррозией: • Бетонные конструкции на химических производствах,

резервуары • Трубопроводные системы, в т.ч. для транспортировки

химикатов • Любые сооружения, требующие укрепления материалами на

основе полимеров • Архитектурные элементы из преднапряженного и сборного

бетона • Слабые участки конструкций, не позволяющих использование

стандартного покрытия • Плавательные бассейны • Облицовка архитектурного типа • Рассольная цистерна


Canada


Бетонные элементы, требующие неметаллическое армирование по причине электромагнитности (СП стержни):

Палаты со спецоборудованием в поликлиниках

Радио подушки для самолетов и приборы для определения девиации

Трансформаторы высокого напряжения и монтажные площадки

Бетонные конструкции в непосредственной близости от высоковольтных кабелей и трансформаторных подстанций

Где рекомендуется использовать композитную арматуру?

Canada


Укрепление кирпичных конструкций:

Повышение прочности на изгиб и сдвиг существующих неармированных сооружений в целях защиты от сейсмических, ветровых или взрывных нагрузок.

Реконструкция кирпичных зданий, где наблюдается растрескивание и разрушение швов

В качестве альтернативного решения стержням из эпоксидной основы, оцинкованной или нержавеющей стали


Canada


Прочность на разрыв и модуль упругости

Разрывная прочность находится в пределах

600 - 1300 ПPa в стеклопластиковых стержнях (СП)

1100 до 2200 MПa в углепластиковых стержнях (УП)

Модуль упругости композитных стержней составляет

40 до 65 ГПa в стеклопластиковых стержнях (СП)

80 до 140 ГПа в углепластиковых стержнях (УП)

Свойства композитных стержней

Canada


Разрывная прочность и модуль упругости

В расчетах рекомендуется использовать

гарантированные параметры или

индивидуальную прочность на разрыв: Средний показатель прочности в 3 раза ниже

стандартного отклонения (минимум 24 теста на разрыв,

ASTM D7205)

Средний модуль упругости.


Canada


Образцы для испытаний на разрыв (ASTM D7205/D7205M)


Canada


Машина для испытаний на разрыв


Canada


Нагрузка на бетон при напряжении Свойства сцепления композитных стержней

зависит от типа поверхности стержней, которая может быть с песчаным покрытием, ребристой, с спиральной или переплетающейся намоткой.

В целом сцепление композитных стержней с бетоном лучше или сравнима со сцеплением стальных стержней

Максимальное среднее напряжение при сцеплении (испытание на вырыв): 12 до 26 MПa


Canada


Коэффициент термического расширения

Стандартные коэффициенты термического расширения композитных арматурных стержней

Коэффициент термического расширения (x 10-6/°C)

Направление Сталь СП УП АП

Продольное 11.7 6 до 10 -1 до 0 Поперечное 11.7 21 дo 23 22 дo 23 60 дo 80


Canada


Долговечность – основное преимущество СП стержней по сравнению с традиционной стальной арматурой.

В ходе многих исследований на долговечность СП стержни погружаются в щелочной раствор с 13 pH при высоких температурах и воссоздают условия по сроку эксплуатации равному около 75 лет.

Однако, исследования сети представительств ISIS в Канаде, в ходе которых извлечены СП стержни из региональных мостов и конструкций возрастом 8 и 13 лет показали ОТСУТСТВИЕ РАЗРУШЕНИЙ СП стержней (основной тип арматуры согласно Техническим условиям CSA S6).

Долговечность композитных стержней

Canada


Коэффициенты снижения воздействия внешних факторов

В ходе многих исследований на долговечность СП стержни погружаются в щелочной раствор с 13 pH при высоких температурах и воссоздают условия по сроку эксплуатации равному около 75 лет.

Однако, исследования сети представительств ISIS в Канаде, в ходе которых извлечены СП стержни из региональных мостов и конструкций возрастом 8 и 13 лет показали ОТСУТСТВИЕ РАЗРУШЕНИЙ СП стержней.

Долговечность композитных стержней

Canada


Под воздействием постоянных нагрузок все строительные материалы, включая сталь, внезапно разрушаются через определенное время и данное явление носит название разрушение от ползучести.

Чем выше соотношение постоянных нагрузок и фактических нагрузок, тем ниже сопротивляемость изнашиванию композитных стержней. Разрушение при ползучести так же зависит от ультрафиолетового излучения, высокой температуры, щелочи и внешних факторов.

Ползучесть композитных стержней

Canada


Процесс разрушения от ползучести можно предотвратить, если постоянные рабочие нагрузки на композитный материал ограничить до части от предельной прочности.

Ограничения по напряжению регламентировано Техническими условиями и руководством по проектированию (CSA S6, CSA S806, ACI 440.1R)

Максимальная нагрузка на композитные стержни при рабочих нагрузках не должна превышать FSLS x fFRPu, где FSLS равно: 25% для СП, 35% для АП и 55% для УП.

Ползучесть композитных стержней

Canada


• Принципы проектирования установлены на основе широкомасштабных исследований и опыта эксплуатации, полученного на основе практики по обслуживанию конструкций, когда композитная арматура утверждена на конкурсной основе среди поставщиков композитной арматуры

• Положения , касающиеся испытаний проводимые в целях сертификации и QC/QA

• Указание допустимых составляющих материалов, ограничений по их объемам и минимальные рабочие требования

• Особые свойства композитной арматуры, алгоритм проектирования и коэффициент устойчивости, детализация, технические условия по материалам и строительству

• Подготовка композитных стержней, укладка (включая требования к покрытию, опорные элементы арматуры), ремонт, и нарезка на месте строительства.

Технические условия, стандарты (Северная Америка)

Canada


1. CAN/CSA S6: "Canadian Highway Bridge Design Code", Section 16 "Fibre Reinforced Polymers (FRP) Structures". 1st Edition in 2000, 2nd Edition in 2006, Supplement S1 in 2010

2. CAN/CSA S806: "Design and Construction of Building Components with FRP". 1st Edition in 2002, 2nd Edition in 2012

3. CAN/CSA-S807: “Specifications for Fibre Reinforced Polymers". 1st Edition in 2010 4. ISIS Canada Network Association: 1) Design Manual No. 3 "Reinforcing Concrete

Structures with FRP". 1st Edition in 2001, 2nd Edition in 2007, 3rd Edition in 2012 5. ACI 440. 1R: “Guide for the design and Construction of Structural Concrete

Reinforced with FRP Bars". 1st Edition in 2001, 2nd Edition in 2003, 3rd Edition in 2006, 4th Edition in ACI 318.

6. ACI 440.6: “Specification for Carbon and Glass FRP Bar Materials for Concrete Reinforcement". 1st Edition in 2008.

7. ACI 440.5: “Specification for Construction with FRP Reinforcing Bars". 1st Edition in 2008.

8. AASHTO LRFD : “ Bridge Design Guide Specifications for GFRP-Reinforced Concrete Bridge Decks and Traffic Railings“. 1st Edition in 2009.


Canada


Технические условия и руководство по проектированию (Северная Америка)

Canada


AASHTO LRFD Bridge Design Guide Specifications for GFRP-Reinforced Concrete Bridge Decks and Traffic Railings

2009


Canada



Canada


Композитные стержни, регламентированные Техническими условиями и стандартами:

• стекловолокно/винилэфирная смола

• углеволокно/ винилэфирная смола

• углеволокно/эпоксидная смола

• арамидное волокно/ винилэфир

(Объемная доля волокна (по массе): 70-88%)


Canada


Проектировщик должен осознавать, что равноценная замена стальной арматуры на композитную невозможна в виду отличий механических свойств двух материалов

Одна из особенностей композита – линейность до разрушения и отсутствие пластичности

Другое отличие: эксплуатационные характеристики композита в отличие от стали ограничиваются аспектами проектирования. Модуль упругости (к примеру, СП стержней) диктует зависимость процесса проектирования от параметров деформации и ширины трещин.

Проектирование

Canada


В бетонных конструкциях, армированных композитными стержнями, процесс разрушения при изгибе происходит тремя способами: 1. Одновременное разрушение- композит и бетон

разрушаются одновременно; 2. Разрушение при сжатии- бетон разрушается, при

этом эластичность композита сохраняется. Деформации композита ниже предельной деформации; и

3. Разрыв- разрушение композита перед разрушением бетона.


Canada


По технологии укладки, композитная арматура аналогичная традиционным стальным материалам.

В большинстве случаев, легкая масса композитных стержней фактически ускоряет процесс монтажа арматуры.

Монтаж

Canada


При необходимости укоротить длину композитной арматуры используют режущие приспособления с алмазным напылением, пилу с шлифовкой или мелкозернистой поверхностью.

При работе с композитной арматурой рекомендуется использовать специальные защитные перчатки.

Монтаж

Canada


Контроль качества играют ключевую роль на каждом этапе строительства (см. CSA S807), в частности это касается материалов, опыт работы с которыми практически полностью отсутствует.

Перед выполнением строительных работ , инженеры и владелец должны определить насколько свойства композитной арматуры, предлагаемые поставщиком, приемлемы, либо нужно провести независимые испытания. При необходимости испытания должны проводиться согласно рекомендуемым методикам (см. CSA S807).

Обеспечение качества

Canada


Широкораспространенные композитные стержни изготавливаются по жестким условиям с отбором образцов, исследованиями и испытаниями для контроля качества. Такая работа проводится всеми производителями (см. CSA S807).

Обычные свойства, важные для инженеров:

• отклонения по размерам; • такие механические свойства как разрывная прочность, модуль упругости при разрыве, усталостная прочность, и предельное напряжение; • прочность сцепления с бетоном; • объемная доля волокна; • свойства сдвига при прямом сдвиге; долговечность в щелочной среде.

Обеспечение качества

Canada

NSERC Industrial Research Chair in FRP Reinforcement for Concrete Structures

Долговечность; долговременное испытание прочности на образцах из реализованных объектов.

Canada


Содержание

Введение

Долговечность стеклопластиковых арматурных стержней (Лабораторные и эксплуатационные исследования)

Комментарии

Canada


ВВЕДЕНИЕ • Стеклопластиковые стержни (СПС) все чаще

используются для строительства бетонных конструкций, н-р, мостов и парковок

• Стоимость стеклопластиковых стержней ниже в отличии от арматуры из угле- и арамидопластика

• Долговечность - важная характеристика в условиях бетона (влага и щелочь)

• Нормативная база (CSA-S6, CSA S-806, ACI, Fib 9.3, 440.1R, ISIS M-03) регламентирующая долговечность (внешние факторы, ограничения по напряжению)

• Новое поколение стеклопластиковых стержней с улучшенными характеристиками (материалы и обработка – улучшенный контроль качества, стабильность, меньше дефектов)

Canada


Цели (стеклопластиковые стержни) 1. Оценить долговременную долговечность,

2. Оптимизировать механические и конструкционные свойства СП стержней для бетонных конструкций,

3. Улучшить нормативную документацию и руководства по проектированию.

Исследование долговечности композитных стержней

Canada


Программа текущих исследований Действующие исследовательские проекты (магистр точных н. и д. филос.н.) затрагивают следующие аспекты:

• режимы температурный, замерзания/таяния

• коррозия под напряжением

• влага/щелочь

• ползучесть/усталость

Исследование долговечности композитных стержней

Canada


Текущие/завершенные исследовательские проекты

1. Исследования термического растрескивания (или сцепления) бетонных конструкций, армированных стеклопластиковыми стержнями

2. Поведение при эксплуатации плит мостового настила, армированных СП стержнями под действием комбинированных нагрузок (замерзание-оттаивание и циклические)

Исследования долговечности ПАВ стержней

Canada


Текущие/завершенные исследовательские проекты

3. Оценить поведение бетонных балок, армированных СП стержнями, находящихся под действием постоянных нагрузок, а так же циклических нагрузок во время замерзания/оттаивания

4. Провести анализ действия постоянной нагрузки, щелочи, и температуры на остаточные механические свойства (прочность и жесткость) СП стержней


Canada


Оборудование


Canada


Оборудование


Canada


Схема рамочной установки для создания постоянных нагрузок

Образцы под действием постоянных нагрузок

в щелочном растворе

при комнатной температуре

Точка опоры Груз

Опора для рамы

1440 мм

1900

м

м

Поворотная головка Отводной рычаг

Захват для трубы

ПАВ стержень

Нагревательная камера Круглая гайка

Пластмассовая трубка для раствора и бетонного кубика

Система калибровк нагрузкии

Oценить остаточные разрывные характеристики ПАВ стержней в различных щелочных, тепловых режимах, нагрузках

Экспериментальная установка

Canada


Испытания ПАВ стержней на разрушение при ползучести

Фото XX. Рамочная установка для создания постоянных нагрузок : a) и b) Образцы при постоянных нагрузках, c) Схема

(a)

(b) (c)

Canada


Щелочестойкость при постоянных нагрузках

Canada


Волокна E-стекла

Винилэфирная смола

Стандартный состав СП стержней**

Oценить остаточные разрывные характеристики композитных стержней в различных щелочных, тепловых режимах,

нагрузках

**регулируется всеми техническими условиями и руководствами для использования в качестве арматурных стержней для бетона (CSA-S6-00, CAN/CSA-S806-02, ACI 440.1R, Fib 9.3).

Программа испытаний

Canada


Увеличенный вид поперечного сечения

стандартных стержней с песчаным покрытием

Оценить остаточные характеристики разрыва стеклопластиковых стержней под воздействием щелочной и тепловой сред, нагрузок

Canada


Условия внешней среды : Щелочь (pH 12.8) Очищенная вода Температура (комнатная, 40, 50, и 60ºC)

Время воздействия: до 365 дней (1 год)

СП различного размера ( 9.5 - 25 мм)

Всего испытано сотни СП стержней

(изготовленные на разных заводах).

Условия испытаний (без постоянных нагрузок)


Canada



Стандартные СП стержни

Canada


T e C N 0558 . 0

0.098 =

Ускоренное и естественное старение

где : N = предполагаемый возраст в днях C = длительность воздействия (в днях) щелочного раствора при высокой температуре T (в Фаренгейтах) Условия естественных испытаний : средняя годовая температура

Температура (oC)

Раствор (pH 12.6-12.8)

Возраст при ускоренных испытаниях

(в днях)

Возраст при естественных испытаниях

(в годах) 40 щелочь 150 13 40 щелочь 300 27 60 щелочь 150 (5 месяцев) 100 60 щелочь 300 199

Canada


Испытательные образцы


Canada


Образцы после выдержки


Canada


Диаметр

(мм)

9.4

15.9

Гарантированная

прочность (MПa)

608

605

f*fu = fu. ave. – 3 σ

Расчетная прочность (MПa)

426

424

ffu= CE * f*fu ( CE=0.7)

Средний показатель

предельной прочности

(MПa)

653 ± 15

611± 2

fuave

Соотношение 2: Остаточная разрывная прочность

Гарантированная разрывная прочность

Соотношение 3:

Расчетная разрывная прочность

Соотношение 1: Остаточная разрывная прочность

Средний показатель предельной прочности


Остаточная разрывная прочность

Canada


0

100

200

300

400

500

600

700

0 10 20 30 40 50 60 70 Температура воздействия (oC)

Ост

аточ

ная

разр

ывн

ая п

рочн

ость

(MП

a)

вода 150 дней вода 300 дней

щелочь 150 дней щелочь 300 дней

Предельная разрывная прочность

Гарантированная разрывная прочность

Расчетная разрывная прочность

Результаты испытаний

Остаточная прочность на разрыв СП стержней

диаметром 9.5 и 15.9 мм

Canada


0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 Температура воздействия (oC)

Мод

уль

упру

гост

и (Г

Па)

вода 150 дней

вода 300 дней

щелочь 150 дней

щелочь 300 дней


Модуль упругости состаренных образцов

диаметром 9.5 и 15.9 мм

Модуль упругости стержней, не использованных в испытаниях на старение:

9.5мм : 38.5ГПа

15.9 мм : 39.6ГПа

Canada



Canada


Анализ СЭМ (сканирующая электронная

микроскопия) Контрольный

образец

Щелочная среда при 60 C. Щелочная среда при 60 C. И постоянных нагрузках


Canada


Сканирующая электронная микроскопия

25oC

40oC

60oC Расщепление на границе фазы

Canada


25002700290031003300350037003900

Wavelength (cm-1)

Abs

orba

nce

25002700290031003300350037003900

Wavelength (cm-1)

Abs

orba

nce

25002700290031003300350037003900

Wavelength (cm-1)

Abs

orba

nce

Анализ Фурье: выявление расщепленных единиц в смоле

Контрольный образец

Вода при 60 C. за 6 месяцев

Щелочная среда при 60 C. за 6 месяцев

Анализ Фурье

Canada


Прогнозирование срока эксплуатации Прогнозирование долговременного поведения

Долговременное поведение СП стержней при разрыве прогнозируется по методике Банк эт ал (Bank et al.) [2003], основанная на соотношении Аррениуса (Arrhenius relation).

-

= RT

E A k a exp

k = скорость разрушения (1/время) A = константа для материала и процесса деструкции Ea = энергия активации реакции R = универсальная газовая постоянная T = температура в Кельвинах.

Не менее: - 3 режимов температуры старения - 4 цикла погружения

Canada


Долговечность СП стержней, заложенных в бетон

Старение СП образцов, покрытых цементом

Canada


Прогнозирование срока эксплуатации

Построение графика Аррениуса 1ый метод: Время – функция абсолютной обратной температуры по

сохранению свойств в процентном соотношении.

(a) График сохранения свойств как функции времени

(b) График Аррениуса по сроку эксплуатации как функции температуры

и процентного сохранения

Прямая допустимой регрессии r2

не менее 0.80.

Canada



Построение графика Аррениуса 2ой метод: Сохранение характеристик можно показать как функция абсолютной

обратной температуры за различный период времени.

(a) График сохранения свойств как функции времени

(b) График Аррениуса по сроку эксплуатации как функции температуры и

срока эксплуатации

Прямая допустимой регрессии r2

не менее 0.80.

Canada



Общее соотношение фактического и предполагаемого срока эксплуатации

СП стержни, заложенные в бетон, под действием соленого раствора при

средней годовой температуре 10°C и 50oC

СП стержни, заложенные в бетон, в водопроводой воде при средней годовой

температуре 6oC

Canada


Программа испытаний: условия испытаний СП стержней (постоянные нагрузки на разрыв)

Внешние условия: Щелочная среда (pH 13) Деионизированная вода Фактор ускорения температуры ( до 65ºC)

Условия по нагружению: Постоянные нагрузки на разрыв (20 до 40% от предельной разрывной прочности) Испытания на разрушение при ползучести

Время воздействия: 1, 3, 6 месяцев, до 5 лет


Canada



Canada


Ускоренные испытания при высокой температуре

предельная

гарантированная

расчетная (ACI 440)

0

100

200

300

400

500

600

700

Остаточная прочность

(MПa)

60o C

Деионизированная вода

20o C

Щелочной раствор

60o C 20o C

115 дней при 60 C = 75 лет эксплуатации

(Постоянные нагрузки: 20 до 30% от предельной разрывной прочности )

Canada


Напряжение при ползучести через 10,000 ч (в щелочном растворе + 20o C)

Микро –напряже-ние

me

3000

4000

5000

6000

7000

0 100 200 300 400

0 2400 4800 7200 9600

ДНИ

ЧАСЫ

30% от fu действующей

40% от действующей fu

Canada


Остаточная прочность через 10,000 ч

(Постоянная нагрузка + щелочнойраствор + 20o C)

Остаточная прочность

%

25% 40% 30% 40%

Постоянная нагрузка/ fu

0

20

40

60

80

100

Деионизированная вода


Canada


Действие ползучести Efrp

Среда Efrp (ГПa)

f / fu Eres

(ГПa)

Деионизированная

вода 40-65

25% 40-65

40% 40-65


30% 40-65

40% 40-65

Через 10,000 ч воздействия

(без изменений)

Canada


Стандартное испытание на разрушение при ползучести

График зависимости времени от

нагрузки до разрушения (разрушение при напряжении) СП стержня Тип 1

График зависимости времени

от нагрузки до разрушения (разрушение при

напряжении) СП стержня Тип 2

Canada

NSERC Research Chair in Innovative Fibre Reinforced Polymer (FRP) Reinforcement for Concrete Infrastructure NSERC Industrial Research Chair in Innovative FRP Composites for Infrastructures

Исследования долговечности СП арматурных стержней в

бетонных конструкциях (эксплуатационные)

Canada


Влияние старения в эксплуатационных условиях после нескольких лет эксплуатации исследовали на образцах в виде бетонных цилиндров с СП стержнями/решетками, которые были взяты из 5 мостов (Канада).

Исследование долговечности на бетонных цилиндрах

1. Джофр Бридж, Квебек (СП стержни с ребристой поверхностью)

2. Краучайлд Бридж, Альберта (СП стержни с ребристой поверхностью)

3. Холлс Харбер, Новая Шотландия (СП стержни с песчаным покрытием)

4. Уотерлоо Крик, Британская Колумбия (СП решетки)

5. Чэтхэм, Онтарио (СП решетки)

ПРИМЕЧАНИЕ: Микроскопический и физико-химический анализ на бетонных цилиндрах.

Canada


Five field demonstration projects were chosen for this study:

Реализованные объекты

Все демонстрационные конструкции, спроектированные для эксплуатации при нормальных условиях, испытывают влияние (вкл. Транспортные нагрузки).

Холлс Харбер Уорф Джофр Бридж

Чэтхем Бридж

Краучайлд Трейл Бридж

Уотерлоо Крик Бридж

8 years 8 years

8 years

7 years 5 лет

Canada


ОБРАЗЦЫ БЕТОННЫХ ЦИЛИНДРОВ

Canada


ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ГРУППА В КАНАДЕ

Анализ цилиндров проведен тремя независимыми исследовательскими группами из канадских университетов.

Канадский научно-исследовательский центр ISIS Университет Манитобы

Университет Шербрука Университет Британской Колумбии

Университет Саскачеван

Canada

NSERC Industrial Research Chair in FRP Reinforcement for Concrete Structures NSERC Industrial Research Chair in Innovative FRP Composites for Infrastructures

МЕТОДИКИ АНАЛИЗ

МЕТОДИКИ

OM СЭМ ДСК Фурье ИК-спектроскопия

Рентге-носкопия

Граница фазы СП/бетон

Микрорастрескивание и физическое расщепление на границах волокно, смола и стекловолокно/смола

Расщепление и термические свойства смоляной матрицы

Химическое расщепление смолы

Concrete Structure

OM: оптическая микроскопия; СЭМ: сканирующая электронная микроскопия; ДСК: дифференциальная сканирующая калориметрия; Фурье ИК-спектроскопия: ИК фурье спектрофотометрия .

Canada


РЕЗУЛЬТАТЫ

Оптическая микроскопия:

Краучайлд Бридж X40

Граница фазы бетон/СП:

глубокая

не расцепляется

микротрещин нет

пустот нет

Джоффр Бридж X8

Холлс Харбер Бридж X40

Canada


Сканирующая электронная микроскопия:

Уотерлоо Крик X2000

• в смоле нет микротрещин

стекловолокно не разрушается

сильного отслаивания/ расщепления нет

РЕЗУЛЬТАТЫ (Продолжение)

Джофр Бридж X750

Холлс Харбер X5000

Canada


Ca

Результаты и анализ СЭМ - РСМА Джоффр Бридж

Образец

Ca Si Al

C

Si

Al Ca

C

Контрольный образец

Canada


Дифференциальная сканирующая калориметрия:

Термограмма СП стержней диаметром 9мм, отобранных из Джоффр Бридж (слева: в рабочих условиях и справа: контрольный)

Температура стеклования (Tg) не снижается

признаки химического расщепления смолы отсутствуют

(ПРОДОЛЖЕНИЕ)


Canada


ИК анализ (Фурье ИК-спектроскопия):

химическое расщепление отсутствует (гидролиз)

Фурье ИК-спектроскопия СП арматуры, Джоффр Бридж, (C-BAR 9 мм) (слева: контрольный; справа: образец цилиндра

(ПРОДОЛЖЕНИЕ)


Canada


• 5 - 8 лет в рабочих условиях

• Факты нарушения сцепления СП с бетоном отсутствуют

• Влияние щелочи не наблюдается в армирующих материалах из СП.

• Ни в одном из демонстрационных объектов нет разрушений СП арматуры.

Выводы по результатам эксплуатационных испытаний

Canada


Данные эксплуатационные исследования предоставляют информацию качественного и количественного характера о поведении СП стержней,

полученных из реализованных объектов в Канаде Проведенные испытания показывают 10-13 летнее фактическое воздействие на бетон в реальных условиях эксплуатации аналогично лабораторным условиям

Результаты этих испытаний сравнили с результатами исследования, проведенного ISIS в Канаде 2004г. после 5-8 летнего воздействия на бетон

ЦЕЛЬ: Письменно зафиксировать долговременное поведение СП в различных конструкциях, построенных в Канаде

Критерий долговечности


Начальное положение

Вероятное разрушение

Вероятное разрушение

Второе эксплуатационное исследование

Canada


При подготовке к испытаниям 2004 г. отобрали пять конструкций, из них три испытали на долговечность

Холлс Харбер Уорф Nova Scotia, Bay of Fundy

Джофр Бридж Québec, Sherbrooke – St.François River

Краучилд Трейл Бридж Alberta, Calgary

Группа опытных строителей извлекла 5 бетонных цилиндров, армированных СП арматурой, из разных мест конструкции.

Свойства бетонных цилиндров Диаметр - от 75мм – 100мм Длина - от 75 мм - 200 мм

Бетонные цилиндры разделили на части при помощи пилы с

алмазным напылением и извлекли арматурные стержни

Введение

Canada


Оценка качества сцепления СП с бетоном

ПРИМЕЧАНИЕ: Расслоение может ускорить процесс накопления

водного или щелочного раствора, что ускоряет разрушение СП

Методика испытаний

[1] Оптическая микроскопия (OM)

Образцы арматурных стержней подверглись 4 испытаниям

Canada


Вычисление температуры стеклования Tg

ПРИМЕЧАНИЕ: Tg - Физический параметр матрицы и важный показатель полимерной

структуры и механических свойств

[1] Оптическая микроскопия (OM) [2] Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК)

Методика испытаний Образцы арматурных стержней подверглись 4 испытаниям

Canada


Подробный анализ влияния составных компонентов СП

ПРИМЕЧАНИЕ : Анализ по методике СЭМ позволяет определить является сцепление между волокнами и матрицей интактным. Анализ ЭРИ позволяет оценить движение щелочного раствора в волокнах и матрице.

[1] Оптическая микроскопия (OM) [2] Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК)

[3] Сканирующая электронная микроскопия & энергодисперсионное рентгеновское излучение (СЭМ/ЭРИ)

Методика испытаний Образцы арматурных стержней подверглись 4 испытаниям

Canada


Холлс Харбер Уорф (Hall’s Harbour Wharf)

Новая Шотландия, залив Фанди

Джоффр Бридж (Joffre Bridge)

Квебек, Шербрук

Краучайлд Трейл Бридж

(Crowchild Trail Bridge) Alberta, Calgary МЕЖФАЗОВАЯ

ГРАНИЦА

МЕЖФАЗОВАЯ ГРАНИЦА

МЕЖФАЗОВАЯ ГРАНИЦА

ОПТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ

Результаты испытаний: 1ый метод

Canada


2010

Холлс Харбер Уорф

Новая Шотландия, залив Фанди

Джофр Бридж Квебек, Шербрук

Краучай Трейл Бридж

провинция Альберта, г. Калгари

КОНСТРУКЦИЯ Контрольное

значение 2004 Температура стеклования Tg [oC]

СП

ISOROD диаметр 16мм

ISOROD диаметр 9мм

C-стержень диаметр 16 мм



0 2 4 6 8 10 12 100

105

110

115

120

125

130

Темп

ерат

ура

ст

екло

вани

[o C]

Time [Years]

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ СКАНИРУЮЩАЯ КАЛОРИМЕТРИЯ (ДСК)

† результаты с прошлых Результаты испытаний

еще не получены полностью

Результаты испытаний: 2ой метод

Canada


Холлс Харбер Уорф – Новая Шотландия, залив Фанди

ПОДГОТОВКА ОБРАЗЦОВ

Исх

одны

е ст

ерж

ни

Пил

а (н

изка

я ск

орос

ть)

Шли

фов

очна

я /п

олир

овоч

ная

маш

ина

Двухкомпонентная эпоксидная смола

WEST SYSTEM®

Образец СП

СКАНИРУЮЩАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ (СЭМ) / ЭНЕРГОДИСПЕРСИОННОЕ РЕНГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ (ЭРИ)

Canada





Исх

одны

е ст

ерж

ни

Пил

а (н

изка

я ск

орос

ть)

Шли

фов

очна

я /п

олир

овоч

ная

маш

ина

Canada


СЭ

М /

ЭРИ

СКАНИРУЮЩАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ (СЭМ) /

ЭНЕРГОДИСПЕРСИОННОЕ РЕНГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ (ЭРИ) Холлс Харбер Уорф – Новая Шотландия, залив Фанди


Исх

одны

е ст

ерж

ни

Пил

а (н

изка

я ск

орос

ть)

Шли

фов

очна

я /п

олир

овоч

ная

маш

ина

Canada


ГРАНИЦА ФАЗЫ

Песчаное покрытие



Canada


ГРАНИЦА ФАЗЫ



Canada


Краучайлд Трейн Бридж - Альберта, Калгери


Canada


Холлс Харбер Новая Шотландия, залив Фанди

Джоффр Бридж Квебек, Шербрук

Краучайлд Трейн Бридж Альберта, Калгэри

Si Ca

Al

Si Ca

Al

Si

Ca

Al

ПРИМЕЧАНИЕ: Движение щелочи из раствора бетона к волокну является признаком Na+ и K+. Поскольку признаки катионов в матрице или волокнах отсутствуют, то согласно результатам щелочной

раствор через 10-13 лет воздействия на бетон не двигается.

Остатки после шлифовки


Canada


Результаты OM не показали признаков нарушения сцепления стержней с бетоном

Сильных колебаний в температуре стеклования не наблюдалось, следовательно, на полимерную структуру матрицы влагопоглощение или щелочная среда не повлияли.

Результаты РСМА анализа (энергодисперсионный рентгено-спектральный микроанализ) не показал содержание катионов Na+ и K+ в матрице или волокнах, что говорит о том, что в СП образцах движения раствора не было Снимки СЭМ не показали физических повреждений волокон, межфазной границы между полимером или волокном/матрицы, которые могут возникнуть в результате щелочной среды бетона

Исходя из результатов анализа можно сделать следующие выводы

Canada


Долговременные эксплуатационные испытания стеклопластиковой арматуры

Canada


• Испытания на долговечность заверщены с использованием СП стержней на основе E-стекло/винилэфир – 417 дней (10,000 ч) – Постоянные напряжение до 40% от fu (4.7 от

расчетного постоянного напряжения) – Совместимость с щелочной или деионизированной

водой – Высокая температура

• Деформация ползучести СП стержней менее 5% от начального значения

• Остаточная разрывная прочность составляет 138 - 144% от допустимого расчетного напряжения для стержней, выдержанных в деионизированной воде при напряжении 25 и 40% соответственно. В щелочном растворе разрывная прочность равна 129 - 97%.

Заключительные комментарии (лабораторные исследования)

Canada


• Модуль упругости испытываемых образцов не изменилась после выдержки,

• В процессе исследований разрушения от ползучести не наблюдалось,

• В целом, испытываемые СП стержни показали хорошие результаты под действием напряжения и внешних факторов в течение 10,000 ч ,

• 60 oC, как оказалось, является оптимальной температурой.


Canada


• Формулы, предложенные в стандартах CSA-S6, CSA S806, fib 9.3, и ACI 440.1R-06 (включая коэффициент уменьшающегося воздействия внешних факторов и допустимый уровень напряжения) соответствуют (без запаса прочности)

• 25% ограничение по расчетному напряжению при постоянных нагрузках (CSA-S6, CSA S806, ACI 440.1R) с запасом прочности.


Canada

NSERC Research Chair in Innovative Fibre Reinforced Polymer (FRP) Reinforcement for Concrete Infrastructure NSERC Industrial Research Chair in Innovative FRP Composites for Infrastructures

Дифференциальный микроструктурный анализ, проведенный на образцах в виде бетонных цилиндров, извлеченных из эксплуатируемых мостов, показал, что на СП стержни не влияют рабочие условия

Мостовой настил, армированный СП стержнями, показал хорошее поведение в очень агрессивной среде (антиобледенители, обледенение/оттаивание, и высокие транспортные нагрузки). При данных жестких условиях дополнительное/прогрессирующее

Растрескивание не обнаружено.

Заключительные комментарии (эксплуатационные исследования)

Canada


Использование композитной арматуры в бетонных

конструкциях : Сфера применения

Canada


Проблемы, вызванные коррозией существующих бетонных мостов и других конструкций

Введение

Canada


Коррозия стальной арматуры

Введение

Canada

138 Кафедра инновационных композитных решений для армирования бетона

Сфера применения – бетонные настилы мостов

Canada


Сфера применения: бетонные настилы мостов

Мост Жоффре, Шербрук, Квебек, 1997

Canada



Мост Уоттон, Уоттон, Квебек, 2001

Canada



Мост Магог на северной магистрали 50, Магог, Квебек, 2001

Canada


Мост Морристаун (Маршрут 100, Вермонт, США – 2002) : Мост с цельным береговым устоем с одним пролетом 43 м и общей шириной 11.3 м. Цельная бетонная плита напорного перекрытия толщиной 230 мм лежит на четырех пролетах шириной 2.4 м каждый и на свесе шириной 0.92 м. Плита полностью армирована стекловолоконным композитом

43.90 m

Integral A

butm

ent

1

Girder A

North

Girder D

Girder B

Girder C

Girder E

11.28 m

Integral A

butm

ent

2


Canada


11.28 m

2.36 m

B

0.92 2.36 m

2%

A

0.922.36 m2.36 m

E

230 mm

C

2%

D


Мост Морристаун, Морристаун, Вермонт, США, 2002

Canada


СП арматура для плит напорных перекрытий

Мост в процессе строительства



Canada


Соединение арматуры внахлест: 800 мм (диаметр 40)



Canada


13.60 m

2%

2.701.40

2%

0.2

0

2.702.70 2.70

BA DC

1.40

E

Поперечное сечение моста


Мост Кукшир-Итон, Квебек, Канада, 2003

Canada


Строительство опалубки началось 21 октября 2003 года Армирование началось 17 декабря 2003


Мост Кукшир-Итон, Квебек, Канада, 2003

Canada


Система подогрева во время заливки и отвердевания бетона

22 декабря 2003 года (температура -15 °C)


Canada


Бетон залит 23 декабря 2003 года

Движение на мосту открыто 25 января 2004 года


Canada


Однопролетный мост : • Длина пролета = 49.8 м, Общая ширина = 12.6 м • Расстояние между балками = 3.2 м, Толщина плиты = 225 мм

2%

12.59 m

3.15 m1.57 m

D

1.57 m3.15 m 3.15 m225 m

m

C

2%

B A


Мост Вал-Алейн 2004, Квебек

Canada


Строительство опалубки началось 26 августа 2004 года

Армирование началось 15 сентября 2004 года


Canada


Сплошные линии фиксаторов в продольном направлении



Canada


Соединение продольного армирования



Canada


Рабочие инструменты


Canada


Рабочие инструменты


Canada



Canada



Canada


Трехпролетный мост с фермами :

• Общая длина пролета = 89.4 м, Общая ширина = 12.5 м • Расстояние между балками = 3.2 м, Толщина плиты = 200 мм


Мельнбургский мост 2005, QC

Canada


Укладка арматуры из стекловолоконного композита

Вид на построенный мост


Мельбурнский мост 2005, Квебек

Canada


Плиты мостов автомагистрали 410

До 7 мостов, Квебек 2010-2015

Canada



Университетский бульвар 2010

Canada



Университетский бульвар 2010

Canada



Мосты-близнецы на улицей Св. Катерины 2012

Canada




Canada




Canada




Canada



Многопролетные мосты 2012

Canada


Многопролетные мосты Bridge 2012


Canada


Многопролетные мосты 2012


Canada

170 NSERC Research Chair in Innovative FRP Reinforcement for Infrastructure

Мост на улицах Меритт и Св.Катерины, июль-декабрь 2007

Сфера применения: настилы мостов

Canada



Уэйн Грецки Пквы – Брантфорд, Онтарио - сентябрь 2007

Canada


Развязка 23 авеню/выезд на бульвар (5 структур) – Эдмонтон, Альберта (лето 2009)


Canada


Развязка 23 авеню/выезд на бульвар (5 структур) – Эдмонтон, Альберта


Canada


Мост через реку Скагит – Британская Колумбия


Canada



Canada


Сфера применения: настилы сборных мостов

Мост Рейни Лейк – Сандер Бэй, Онтарио - август 2006

Canada




Canada




Canada


Мост Саншайн Крик – Сандер Бэй, Онтарио - лето 2007 Армирование сборных панелей моста стекловолоконным

композитом


Canada



Мост Саншайн Крик – Сандер Бэй, Онтарио - лето 2007 Армирование сборных панелей моста стекловолоконным

композитом

Canada


Мост Хок Лейк – Сандербэй, Онтарио – лето 2008 Армирование сборных панелей моста стекловолоконным композитом


Canada




Canada




Canada


Ноден Козвэй – Сандербэй, Онтарио- лето 2008 Стекловолоконный композит используется для армирования панелей , углепластик для

предварительного напряжения


Canada



Canada


Река Игл – Министерство транспорта Северозападный регион, Онтарио- лето 2008


Canada



Canada


Стекловолоконный композит/углепластик в опоре надземного пешеходного перехода Сандерлинг в Калгари, Альберта. Середина осени 2008


Canada



Canada


Вантовый мост через реку Нипигон

139000 114600 253600

Valuation: $100,000,000


Canada



Canada


Сфера применения: бетонные парапеты мостов

Canada


Мост Вал-Алейн , Квебек, 2004


Canada



Мосты Бернхамторп (Река Кредит/Маллет Крк Миссиссауга, Онтарио, лето 2009

Canada



Canada


Выезд с 23 Авеню на бульвар, Эдмонтон, Альберта


Canada


Мост Фэйз, Регион Ватерлоо, Онтарио


Canada


Реставрация моста Уотсон (округ Веллингтон, Онтарио) весна 2010


Canada


Расширение дороги на Брок (регион Дурхам, Онтарио) весна 2010


Canada


Мост Дрисдейл, регион Симко, Онтарио


Canada



Canada


Дорога Блэк Крк/Кортис, регион Дурхам, Онтарио


Canada


Сфера применения Применение – в зоне использования МРТ

Необходимость отсутствия электропроводности (Больница, Сан.Антонио, Техас)

Canada


Применение – в зоне использования МРТ

Необходимо отсутствие электропроводности

Сфера применения

Canada


Условия применения: отсутствие электропроводности

Основание электронного микроскопа


Canada


Сфера применения Условия применения: отсутствие электропроводности/

устойчивость к коррозии

Гидро-Квебек

Canada


Бетонные конструкции, подверженные воздействию морских солей: волноломы, здания и прибрежные конструкции

Бетонная плита настила, армированная FRP


Canada


Сфера применения Условия применения: воздействие воды • Сборные бетонные волнорезы, армированные FRP

(Австралия)

Canada


Условия применения: воздействие воды

Внешняя пристань (Фарватер Ст.-Лоренс)


Canada


Условия применения: воздействие воды волнорез


Canada


Условия применения: воздействие воды порт (Новая Шотландия)


Canada


Условия применения: воздействие воды

Пирс в фарватер Ст.-Лоренс (Квебек)


Canada


Условия применения: воздействие воды Пирс в фарватер Ст.-Лоренс (Квебек)


Canada


Применение: энергетика Плавка алюминия (Квебек)


Canada


Применение: туннели Крепь туннеля (коррозия)


Canada


Применение: технология «софт-ай» при строительстве тоннелей

Технология легкой тоннельной проходки Soft-Eye используется в тех случаях, когда для прокладки тоннеля необходимо использование буровых туннелепроходческих машин (БТМ) большого диаметра. В этом случае арматурный каркас собирается с использованием композитной арматуры GFRP, сквозь которую легко прорезается БТМ вследствие его низкой прочности на срез

Canada



После согласования проекта на месте проведения работ из арматуры V-rod® GFRP собирается арматурный каркас. Каркас из композита собирается так же, как и из стали. Собранный композитный каркас перемещают к шахте и совмешают и соединяют его с первым стальным каркасом, уже опущенным в шахту.

Canada



После установки арматуры, структуру полностью заливают бетоном. БТМ легко пробивает отверстие с помощью режущих инструментов.

Canada


Арматурный каркас из GFRP насквозь пробуравливается БТМ


Canada


Прямоугольный арматурный каркас из GFRP (канализационная шахта Коксвелл).


Canada


Расширение метро, Торонто, Онтарио

Арматурный каркас GFRP в форме трубы


Canada


Линия легкорельсового транспорта Эглинтон Кросстаун, Tоронто, Онтарио

Арматурный каркас GFRP в форме трубы

Применение: технология Soft-Eye при строительстве тоннелей

Canada


Сфера применения: закрытые автопарковки

Парковка Laurier-Taché (Оттава)

Автопарковка, построенная в 70-е гг, представляет собой здание, построенное из армированных бетонных колонн, балок и плит. Плиты перекрытий повреждены коррозией. Принято решение отреставрировать здание в три этапа с заменой плит.

Парковка Laurier Tache Серьезные повреждения коррозией

плит перекрытий

Canada


Сфера применения: закрытые автопарковки Парковка Laurier-Taché (Оттава)

Canada



Коррозия плит настила – парковка Laurier Tache

Разрушенная коррозией арматура парковки

Laurier Tache

Canada


Закрытые автопарковки – обрушение плит перекрытий

Canada


Утреннее бетонирование – парковка Laurier Tache


Canada


Парковка гостиницы Hôtel de Ville, Квебек(2010)


Canada


Армирование плит перекрытий стекловолоконным композитом GFRP


Canada


Парковка в эксплуатации (характеристики схожи с характеристиками стали)


Canada


Парковка La Chancelière , Квебек (2011)


Canada



Canada


Муниципалитет Тетфорд Майнс, Квебек, 2012 Резервуары для хлорирования воды

Секции, армированные FRP

Сфера применения: станции водоподготовки/воздействие химических веществ

Canada


Армированные бетонный фундамент резервуара (плита на уровне земли) – арматура GFRP -


Canada


Арматура стен резервуара из стекловолоконного композита GFRP


Canada


Армирование верхней плиты стекловолоконным композитом


Canada


Укладка бетона на композитную арматуру верхней плиты резервуара


Canada


Построенный резервуар


Canada


Армированная бетонная плита с применением композитной арматуры FRP в Установке для сжигания отходов в Квебеке 2012

Армированная в одном направлении плита общей площадью : 1300 м2 (25,2 м x 51,2 м)

Толщина плиты: 225 мм

Установка для сжигания отходов в Квебеке

Сфера применения: воздействие химических веществ

Canada


Разрушение бетона и коррозия стали

Переменная нагрузка 625 единиц грузового транспорта(CAN/CSA-S6-06) ; Временное складирование отходов до 5 м высотой.


Canada


Армированная в одном направлении плита общей площадью : 1300 м2 (25,2 м x 51,2 м)

Толщина плиты: 225 мм


Canada


Сфера применения: бетонные автомагистрали

Непрерывно армированное бетонное покрытие

Canada



Непрерывно армированное бетонное покрытие (автомагистраль-40 Восток, Монреаль, Канада)

Canada




Canada




Canada


Сфера применения: бетонные автомагистрали Бетонное покрытие с устройством деформационных швов с

применением арматуры GFRP Dowels (магистраль-15, Монреаль, Канада)

Canada


Часть 1 - Обсуждение

Canada


Часть 2

Особенности композитного армирования

1. Вычислительные метода 2. Примеры завершенных проектов 3. Анализ затрат полного срока

эксплуатации

Canada


Вычислительные методы

Canada


Примеры завершенных проектов

Canada


Пример завершенных проектов №1 : «Проектирование и строительство Станции

водоподготовки в Тетфорд Майнс (Квебек, Канада) С применением композитной арматуры FRP»

Canada


Станция водоподготовки в Тетфорд Майнс – 2012

• Заказчик: Муниципалитет Тетфорд Майнс, Квебек, Канада. • Площадь резервуара для хлорирования воды: 575 м²

Секции, армированные композитомFRP

Canada


Армированные секции 575 м²


Canada


Проектирование CAN/CSA S806: «Проектирование и строительство составных частей здания с использованием материала FRP». •Предельное состояние по пригодности к эксплуатации (предел напряжений, ширина трещин, прогиб от действия краткосрочных и долговременных нагрузок)

•Аварийное предельное состояние (коэффициент устойчивости, прочность)

Canada


Проектирование «Проектирование и строительство составных частей здания с использованием материала FRP»

Canada


Коэффициент запаса прочности и комбинация нагрузок В CSA S806 используется тот же коэффициент запаса

прочности, что и в CSA A23.3-04 Комбинации нагрузок также аналогичны CSA A23.3-04 и

основываются на национальных строительных нормативах Канады

Коэффициент устойчивости материалов Коэффициент устойчивости бетона и стали совпадает с

CSA A23.3-04 Коэффициент устойчивости FRP ΦF = 0.75 для всех

типов конструкций с FRP, армированных или предварительно напряженных


Canada


Нормативные нагрузки

Нормативные нагрузки: Национальные строительные

нормы Канады 2005

Эксплуатационные нагрузки:

Постоянная нагрузка: 2 кН/м2

Временная нагрузка: 5 кН/м2

Canada


Проектные предположения

Секции с излишним (CSA-S806)

количеством арматуры

7 7 2000 fuc d e

Mr>1.5Mcr иначе; Mr>1.5Mf

Коэффициент зависимости от сцепления, kb, for стекловолоконной арматуры GFRP с песчаным

покрытием = 0.80

Минимальное армирование (мм2) 400Ef/Ag > 0.0025 Ag Должно использоваться в каждом из двух

перпендикулярных направлений с шагом < 300 мм.

Canada


Метод расчета прочности на изгиб по CSA S806-02

Философия проекта

Canada


Проектирование Предупреждение образования трещин: (CSA-S806)

Параметр предупреждения образования трещин, z:

= 3sb f c

f

Ez k f d AE

Z < 45 000 Н/мм для внутреннего воздействия и 38 000 Н/мм для внешнего воздействия.

(Секция удовлетворяет критерию величины 38 000 Н/мм)

ff < 0.25 ffu для арматуры GFRP.

Canada


Нагрузки

B.M.D

N.F.D


Canada


Армирование вертикальной секции


Canada


Механические свойства материала Прочность бетона при сжатии = 30 МПa Стандартная арматура GFRP No. 15 (расчетная площадь поперечного сечения 199 мм2) Ef = 48200 MПa, гарантированный предел прочности (ffu) = 683 MПa Арматура HM GFRP No. 15 (расчетная площадь поперечного сечения 199 мм2) Ef = 60900 MПa, гарантированный предел прочности (ffu) = 1284 MПa Арматура HM GFRP bar No. 20 (расчетная площадь поперечного сечения 284 мм2) Ef = 60500 MПa, гарантированный предел прочности (ffu) = 1205 MПa


Canada


1.Проектирование верхней плиты

2.Проктирование стен

3.Проектирование фундамента

(Расчетная ведомость в наличии (Проф. Брахим Бенмокрэйн, Университет Шербрук)


Canada


Армированный бетонный фундамент резервуара (плита на уровне земли) – арматура GFRP


Canada


Армированный бетонный фундамент (плита на уровне земли)


Canada


Армированный бетонный фундамент после заливки бетона


Canada


Стены из бетона, армированного стекловолоконным композитом GFRP


Canada




Canada




Canada


Стены из бетона, армированного стекловолоконным композитом GFRP –строительство опалубки


Canada


Стены из бетона, армированного стекловолоконным композитом GFRP - фотография угла конструкции


Canada




Canada


Стены из бетона, армированного стекловолоконным композитом GFRP, после заливки бетона


Canada


Стены из бетона, армированного стекловолоконным композитом GFRP, после заливки бетона


Canada


Опалубка верхней бетонной плиты, армированной GFRP


Canada


Соединение верхней армированной бетонной плиты и стен


Canada


Армирование верхней бетонной плиты стекловолоконным композитом


Canada


Армирование верхней бетонной плиты стекловолоконным композитом


Canada


Заливка бетона на верхнюю плиту


Canada

NSERC Industrial Research Chair in FRP Reinforcement for Concrete Structures Заливка бетона на верхнюю плиту


Canada


Финишное выразнивание бетона на верхней армированнной плите


Canada


Готовый бетонный резервуар, армированный стекловолоконным композитом GFRP


Canada


Заполнение резервуара водой (испытание)


Canada


Готовая конструкция (стены резервуара закапывают землей)


Canada


В этом очень успешном завершенном проекте было использовано

67,500 метров арматуры GFRP (стандартная и HM GFRP арматура #5 и

HM GFRP арматура #6 ).


Canada


• Заказчику конструкции: Муниципалитету Тетфорд Майнс ( Квебек, Канада)

• Проектной организации: Roche ltd. Counsulting Group (Квебек, Канада)

• Проект конструкции: Факультет гражданского строительства, Университет Шербрук (профессор Бенмокрэйн) (Квебек, Канада).

Выражается благодарность:

Canada


Пример завершенных проектов № 2 : «Проектирование и строительство закрытой

автомобильной парковки Chanceliere с использованием бетонных плит перекрытий с

перекрестным армированием GFRP»

Canada


Введение Многоэтажные парковки

• Очень агрессивные условия эксплуатации (высокая влажность, соли)

• Коррозия стальной арматуры

• Растрескивание и разрушение бетона

Canada


Обрушение плит перекрытий

Canada


Типы структур плит перекрытий

Canada


Парковка Chancelière (2011)

Canada


Необходима структурная реставрацию сорокалетней автопарковки вследствие значительного повреждения коррозией стальной арматуры. В качестве основного армирования плит перекрытий первого уровня впервые в мире используется стекловолоконная арматура GFRP с высоким модулем упругости (Тип III, CSA S807)


Canada


Коррозия стали и обрушение плит перекрытий

Разрушение плоских плит из армированного сталью бетона

Canada


Общий план

84 м

38 м

Площадь = 3100 м2

Canada



Нормы проектирования, применимые к данному проекту

New Standard

Canada


Проектирование CAN/CSA S806: «Проектирование и строительство составных частей здания с использованием материала FRP".

• Предельное состояние по пригодности к эксплуатации (предел напряжений, ширина трещин, прогиб от действия краткосрочных и долговременных нагрузок)

•Аварийное предельное состояние (коэффициент устойчивости, прочность)

• Огнестойкость (защитный слой бетона)

Canada


Нормативные нагрузки Нормативные нагрузки: Национальные строительные

нормы Канады 2005

Эксплуатационные нагрузки:

Постоянная нагрузка: 6.15 кПa

Временная нагрузка: 2.4 кПa

Canada


Расчетные изгибающие моменты Безопасность

12.2.0

Canada


Расчетные изгибающие моменты Безопасно

12.2.0

Canada


Расчетные изгибающие моменты

M+v (max)= 180 кН.м M-ve (max)= 624 кН.м

Полоса плиты над колоннами

Полоса плиты между колоннами M+v (max)= 155 кН.м M-ve (max)= 60 кН.м

Canada


Свойства бетона

Тип бетона

Прочность бетона (MПa)

Усадка (мм)

Поризованность (%)

Максимальный размер зерен заполнителя (мм)

Тип цемента

E-1 35 82 ± 19 4 19 10SF

Canada


Проектные предположения Секции с излишним (CSA-S806)

количеством арматуры

7 7 2000 fuc d e

Mr>1.5Mcr иначе; Mr>1.5Mf

Коэффициент зависимости от сцепления, kb, для стекловолоконной арматуры GFRP с песчаным

покрытием = 0.80

Минимальное армирование (мм2) 400Ef/Ag > 0.0025 Ag Должно использоваться в каждом из двух

перпендикулярных направлений с шагом < 300 мм.

Canada


Предупреждение образования трещин : (CSA-S806)

Параметр предупреждения образования трещин, z:

= 3sb f c

f

Ez k f d AE

Z < 45 000 Н/мм для внутреннего воздействия и 38 000 Н/мм для внешнего воздействия.

(Секция удовлетворяет критерию величины 38 000 Н/мм)

ff < 0.25 ffu для стекловолоконной арматуры GFRP .


Canada


Пробивная способность: (CSA-S806)

Наименьшая из нижеприведенных:

=

1 3';0.5

20.028 1c c f f c o dc

V E f b d

=

1 3';0.5

;0.5

0.147 0.19sc c f f c o d

o d

dV E f b db

=1 3'

;0.50.056c c f f c o dV E f b d


Canada


Огнестойкость В соответствии с CSA S806, огнестойкость бетонных плит, армированных FRP зависит от критической температуры арматуры FRP, толщины защитного слоя бетона и типа заполнителя бетонной смеси. Критической является температура, при которой армирование теряет определенную часть прочности на разрыв (обычно 50%) и больше не может выдерживать прилагаемую нагрузку.

В приложении T приведены значения для расчета требуемой толщины защитного слоя бетона для арматуры FRP для получения необходимого предела огрестойкости (2 часа для закрытой парковки, NBCC).

Критическая температура для арматуры FRP = 325 °C (in CSA S806-12).


Canada


CSA S806-12: Приложение T (справочная информация) Расчет требуемой толщины защитного слоя бетона для арматуры FRP

для получения необходимого предела огрестойкости

325

Толщина защитного слоя: 65 мм (2 ч)


Canada


Армирование GFRP Армирование плит

Полоса плиты (над колоннами): No. 7 @ 140мм

Полоса плиты (между колоннами): No. 7 @ 200 мм

Полоса пролета(-ve момент): No. 7 @ 300 мм

Полоса пролета (+ ve момент): No. 7 @ 230 мм

Canada


Армирование GFRP

Canada


Арматура GFRP

1240 метров арматуры #5 HM GFRP 37,883 метров арматуры #7 HM GFRP

158 метров арматуры #8 HM GFRP 513 метров арматуры #10 HM GFRP

Для реставрации парковки было использовано 40,000 метров арматуры HM GFRP .

Данное количество включает:

Canada


Свойства стекловолоконной арматуры GFRP

Механические свойства при растяжении No. 5 ( 1 партия)

No. 10 (1 партия)

No. 8 (2 партии)

Canada



Механические свойства при растяжении No. 7 ( 6 партий)

Canada



Механические свойства при растяжении: обобщение

Диаметр Прочность на разрыв (MПa)

Модуль упругости (ГПa)

Предельное натяжение (%)

# 5 1323 ± 112 64.83 ± 0.50 2.0 ± 0.0 # 7-1 1489 ± 29 73.85 ± 0.14 2.0 ± 0.0 # 7-2 1391 ± 52 68.67 ± 0.50 2.0 ± 0.0 # 7-3 1392 ± 52 68.85 ± 0.52 2.0 ± 0.0 # 7-4 1470 ± 24 75.10 ± 0.42 2.0 ± 0.0 # 7-5 1333 ± 6 67.51 ± 0.69 2.0 ± 0.0 # 7-6 1355 ± 27 69.55 ± 0.23 1.9 ± 0.0 # 8-1 1079 ± 11 65.46 ± 0.60 1.6 ± 0.0 # 8-2 1148 ± 16 68.25 ± 0.20 1.9 ± 0.0 # 10 1149 ± 11 76.28 ± 1.03 1.5 ± 0.0

Canada


Стоимость: сравнение Стальная арматура Арматура GFRP Наименование Количество Общая стоимость Количество Общая стоимость Мобилизация и разборка 1 lot 10,000.00 $ 1 lot 10,000.00 $ Разборка бетона 650 m³ 162,500.00 $ 650 m³ 162,500.00 $ Подготовка поверхности Полировка плит 2800 m² 2,800.00 $ 2800 m² 2,800.00 $ Отвердевание 7 дней 2800 m² 2,100.00 $ 2800 m² 2,100.00 $ опалубка Плиты перекрытий 2800 m² 140,000.00 $ 2800 m² 140,000.00 $ Утолщение плит 60 units 9,000.00 $ 60 units 9,000.00 $ Рампа 100 m² 8,500.00 $ 100 m² 8,500.00 $ Армирование Сталь 10M - 35M 400 MПa 50 000 kg 125,000.00 $ GFRP1 5M - 32M 60 ГПa 42 160 m 210,800.00 $ Бетон 30 MПa + заливка на месте 710 m³ 106,500.00 $ 710 m³ 106,500.00 $ Соединение с имеющимся бетоном Соединение плита-стена 310 m 31,000.00 $ 310 m 31,000.00 $ Соединение плита-колонна 40 units 80,000.00 $ 40 units 80,000.00 $ Покрытие поверхности (для плит) Водонепроницаемые мембраны 2 800 m² 70,000.00 $ Асфальт 65 мм 2 800 m² 84,000.00 $ Водонепроницаемые мембраны - колонны 40 unités 8,000.00 $ Водонепроницаемые мембраны-периметр 310 m 23,250.00 $ Общая стоимость 831,400.00 $ 794,450.00 $

Canada


Установка арматуры


Canada



Canada



Canada



Canada



Canada


Укладка бетона

Укладка бетона

Canada


Поверхностные слои

Отделочный слой

Canada



Завершенный проект: парковка в эксплуатации

Canada


Заключительные комментарии Это был первый в мире опыт применения арматуры GFRP для плоских плит перекрытий с перекрестным армированием, используемых в качестве структурных элементов здания автопарковки. Данный пример служит подтверждением эффективности композитного армирования и развития промышленного производства FRP.

Структурные характеристики объекта, ставшего первым в мире сооружением такого типа и масштаба, где в качестве армируещего материала была использована арматура FRP, на основании данных мониторинга и постоянных проверок соответствуют норме. В процессе строительства и в течение последующей эксплуатации (полтора года) каких-либо серьезных проблем или неисправностей, связанных с нежиданно проявившимися особенностями материала, зарегистрировано не было.

Canada


Арматура GFRP была очень конкурентноспособной по сравнению со стальной арматурой в плане начальной стоимости. Общая стоимость реставрации автопарковки с применением арматуры была меньше, чем стоимость реставрации с применением стальной арматуры (вследствие отсутствия необходимости в мембранах и асфальтовом покрытии).

Данный пример и сравнение стоимости проектов являются шагом на пути к преимущественному использованию арматуры FRP для строительства автопарковок в Северной Америке и во всем мире.

Заключительные комментарии

Canada


Армирование бетона GFRP увеличит срок эксплуатации сооружения до 100 лет и более, в то время как сооружению из армированого сталью бетона реставрация требуется уже через 25 лет.

Заключительные комментарии

Canada


Стоимость эксплуатационного обслуживания

Canada


ПЕРВОНАЧАЛЬНАЯ СТОИМОСТЬ, СТОИМОСТЬ ОБСЛУЖИВАНИЯ РЕМОНТНЫЕ РАСХОДЫ СТОИМОСТЬ УТИЛИЗАЦИИ.


Canada


Применение стакловолоконной арматуры (GFRP) для ремонта и строительства конструкций является низкозатратным и позволяет: • Избежать капитальных и затратных проблем ремонта, связанных

со стальным армированием. • Поддерживать хороший внешний вид конструкции (меньше

трещин, отсутствия пятен ржавчины), что повышает стоимость объекта при продаже.

• Уменьшить защитный слой бетона и избежать мер по борьбе с коррозией

• Обеспечить срок эксплуатации в 4 раза дольше и избежать капитальных расходов.

• Выдержать циклические нагрузки, длящиеся в 20 раз дольше.


Canada


Отчет ASCE: Мосты США • 27 % из 590,750 мостов США не имеет достаточной структуры

или являются конструкционно устаревшими. • Стоимость устранения всех недостатков составит $9.4

млрд в год в течение 20 лет.

• Ежегодно на улучшение транспортной инфраструктуры США выделяется $59.4 млрд., что явно меньше необходимых $94 млрд.

• Плохое состояние дорог обходится автомобилистам США в $54 млрд. в год на ремонт и эксплуатационные расходы: $275 на автомобилиста .

• Американцы проводят 3.5 млрд. часов в год в пробках, что обходится экономике страны в $63.2 млрд. в год


Canada


Инфраструктура Канады • 59% транспортной

инфраструктуры Канады старше 40 лет.

• Согласно статистике, средний срок службы дорожной инфраструктуры в Канаде составляет 37 лет

• Сейчас около 10,000 мостов нуждаются в ремонте или усилении кoнструкции на общую сумму $44 млрд.

• 4000 автопарковок нуждаются в ремонте.


Canada


• Армирование включая ремонт и ожидаемый срок эксплуатации Без потери

прочности до 100 лет

Года

• Потеря прочности – прогнозное значение; до настоящего времени не было зарегистрировано случаев потери прочности в структурах GFRP


Canada


Приложение

Canada


Слайды ISIS

Примеры проектов 1 & 2

Пример проекта плиты бетонного настила моста

(в соответствии с канадскими проектными нормами строительства дорожных магистралей и мостов CHBDC-

CAN/CSA S6)

Профессор Брахим Бенмокрэйн

Университет Шербрук, Шербрук, КАНАДА

[email protected]

Проект плиты бетонного настила моста

Введение: Возьмем в качестве примера проекта недавно построенный бетонный настил моста, армированный FRP (Мельбурнский мост)

Мельборнский мост находится на северном направлении автомагистрали 55 (на 88-ом км на участке Шербрук–Драммондвилль) около города Мельбурн (Квебек, Канада).

Проект плиты бетонного настила моста Описание Мельбурнского моста: Плита настила моста непрерывна и лежит на четырех фермах из предварительно напряженного бетона с углом скоса θ = 26.7o

толщина плиты: 200 мм Расстояние между фермами (пролет плит): Перпендикулярно оси балки 3.15 м Длина свеса : Перпендикулярно оси балки 1.53 м Ширина верхнего пояса бетонной балки 1.20 м


Мельбурнский мост

3.15 м 3.15 м 3.15 м 1.53 м 1.53 м

200 мм


Поперечное сечение моста

(перпендикулярно оси балки)


План моста


Свойства материалов

1. Арматура FRP Проектом предусмотрено использование

стекловолоконной арматуры FRP Механические свойства арматуры GFRP

размер диаметр (мм)

площадь, Af

(мм2)

Ef (ГПa)

fFRPu (указанный предел прочности) (MПa)

No.19 19.1 284 47.6 656 No.16 15.9 199 48.2 683 No.13 12.7 129 46.4 710


2. Бетон

В проекте рассматривается бетон обычной прочности, тип V (MTК) со следующими механическими свойствами :

fc = 50 MПa (Положение 8.4.1.7, CSA-S6-

06), Ec = 29.03 ГПa

51

230069003000.

c

'

cc)/)(γf(E =

Момент образования трещин вычисляется по формуле:

Mcr = 18.85 кН.м/м


= 6.667 × 10-4 м4 12

3

bhI

g=

12

)20.0(13

=

MППff cr 828.2504.04.0 ' ===

20.0

)10667.6()828.2(224-

==h

If

Mgr

cr

(Положение 8.4.1.8, CAN/CSA-S6-06)


Проект плиты настила моста разделяется на две основные части:

Проект плит между

фермами

Проект свеса

3.15 м 3.15 м 3.15 м 1.53 м 1.53 м

200 мм

Пример проекта 1:

Проект плит между фермами

Пр.1: Проект плит между фермами Подходы к проектированию:

CHBDC 2006

Эмпирический метод

Метод расчета прочности на изгиб

Подход с особыми требованиями использование

указанного соотношения

армирования FRP

Общий подход (с применением

нагрузок, расчета моментов ….. и т.д.)

Проектирование эмпирическим методом: Проверить возможность применения эмпирического метода (положение 8.18.4.1,

CSA-S6-06)

Данный метод применим в отношении части плиты настила, ограниченной

внешними поддерживающими балками, при выполнении следующих требований :

(a) Плита настила выполнена из композита, а поддерживающие балки

параллельны друг другу. Опорные линии балок также параллельны.

(b) Расстояние между поддерживающими балками, параллельными

поперечному армированию ( пролет скоса), S вычисляется по формуле:

S = 3150 / Cos = 3520 мм и ts = 200 мм

Таким образом,

соотношение S/ts = 3520/200 = 17.61 18 OK.

Пр.1: Проект плит между фермами

(c) Расстояние между поддерживающими балками S = 3.52 < 4 м.

Кроме того, плита выходит за пределы внешних балок (скос) на расстояние

1720 мм (пролет скоса), что больше длины стыка внахлест нижнего армирования

(необходимая длина ld ≈ 32 диаметра = 32 × 25 = 800 мм, подсчитано с

применением уравнения длины стыка, согласно положению 16.8.4.1 – CSA-S6-06)

(d) Продольное армирование плиты настила в полосах с отрицательным моментом

должно производиться в соответствии с положением 8.19.4 и разделом 10.


Мост отвечает всем требованиям применения эмпирического метода.

Эмпирический метод (положение 16.8.8.1 - CAN/CSA S6-06)

Согласно положению 16.8.8.1:

(a) Плита настила состоит из двух перпендикулярных конструкций

арматуры FRP с минимальным расстоянием между верхними и

нижними поперечными стержнями арматуры 55 мм. Диаметр

арматурного стержня должен быть не менее 15 мм.

(b) Стержни арматуры поперечной нижней конструкции должны

иметь площадь поперечного сечения в мм2/мм 500ds/EFRP;и

(c) Продольные стержни нижней конструкции, а также продольные и

поперечные стержни верхней конструкции должны быть из

стекловолоконного композита GFRP мин. 0.0035.


(a) Поперечные стержни нижнего ряда:

AFRP = 500 ds /EFRP

размер EFRP (ГПa)

db (мм)

ds (мм)

AFRP (мм2/м)

Сечение

стержня (мм2)

Конфигурация армирования

No.19 47.6 19.1 152.45 1601.37 284 No. 19 @ 180 мм


(b) Все остальное армирование: ( = 0.0035)

AFRP = 0.0035 × ds × 1000

Размер db (мм)

ds (мм)

AFRP (мм2/м)

Area of bar (мм2)

Конфигурация армирования

No.16 15.875 152.45 533.58 197.9 No. 16 @ 300 мм

Нагрузки и моменты

Плита настила моста выполнена со скосом под углом θ = 26.70o, который постоянен

на протяжении пролета между перпендикулярами ферм Sp = 3.15 м (пролет скоса, Ss =

3.15/Cos 26.70o = 3.52 м).

Пр.1: Проект плит между фермами Метод расчета прочности на изгиб:

Грузовой и поперечный момент от равномерно распределенных нагрузок Собственный вес плиты = 0.20 23.5 = 4.70 кН/м2

Собственный вес покрытия = 0.065 24 = 1.56 кН/м2

Постоянная эксплуатационная нагрузка, wds = 4.70 +1.56 = 6.26 кН/м2

Постоянная расчетная нагрузка, wdu = 1.2 4.70 + 1.5 1.56 = 7.98 кН/м2

Эффективный поперечный пролет в метрах (равный меньшему из расстояний от центра

до центра стенок балок и расстояния между стенками балок плюс толщина настила, CSA S6-

06_ положение 5.7.1.7.1)

Расчетный пролет = S or S - (b) + d

Расчетный пролет = 3.15 – 1.2 + 0.2 = 2.15 м < 3.15 м

Момент от постоянной эксплуатационной нагрузки , Mds = 0.071 wds l2 = 0.071 6.26 (2.15)2

= 2.055 кН.м/м

Момент от постоянной расчетной нагрузки, Mdu = 0.071 wdu l2 = 0.071 7.98 (2.15)2 = 2.619

кН.м/м

S

b bd


Грузовой и поперечный момент от колесной нагрузки (положение 5.7.1.7.1)

Общий поперечный момент вычисляется по формуле: 10

)6.0( PSM ey

=

где Se = 2.15 м P = 87.5 кН

.06.2410

5.87)6.015.2(=

=yM кН.м/м

Максимальный момент изгиба, положительный или отрицательный, для плит настила, лежащих непрерывно на трех и более опорах,составляет 80% от установленного для плиты, перекрывающей только один пролет. Данные моменты увеличиваются от допускаемой динамической нагрузки на отдельную ось, как указано в положении 3.8.4.5.3. Mym = 0.8 24.036 1.4 = 26.95 кН.м/м


Условия эксплуатации

Для предельного состояния по пригодности к эксплуатации #1, коэффициент комбинации нагрузок = 0.9 (таблица 3.5.1(a)) Общий расчетный момент эксплуатационной нагрузки,

My-SLS = 26.95 0.9 + 2.055 = 26.31 кН.м/м (верхний и нижний момент)

Условия аварийной эксплуатации

Для аварийного предельного состояния, коэффициент комбинации нагрузок

= 1.7 (Таблица 3.5.1(a))

Общий расчетный момент в условиях аварийной эксплуатации,

My-ULS = 1.7 26.95 + 2.619 = 47.346 кН.м/м (верхний и нижний момент)


Проектные требования

Разделом16 CHBDC 2006 устанавливаются следующие требования к

проекту бетонной конструкции армированной композитом FRP (положение

16.8.2).

1- Величина минимального сопротивление изгибу:

Рассчетное сопротивление, Mr, должно быть по крайней мере на 50%

больше момента трещинообразования Mcr. Данное требование может не

учитываться, если расчетное сопротивление, Mr, по крайней мере на 50%

больше расчетного момента, Mf.

Если аварийное предельное состояние определяется повреждением FRP,

тогда Mr должен превышатьMf в полтора раза


2- Армирование для предотвращения образования трещин:

Когда максимальное относительное удлинение армирования FRP при общих

эксплуатационных нагрузках превышает 0.0015, поперечное сечение компонента в

полосах максимального положительного и отрицательного момента должно быть

пропорционально таким образом, что ширина трещины не превышает 0.5 мм для

компонента, находящегося в агрессивной среде, и 0.7 мм для другого, ширина трещины

рассчитывается по формуле:

22

1

2

22

=

sdkhh

Efw cb

FRP

FRPcr


h1 h2

dc

N.A.

Значение kb устанавливается экспериментальным путем, но при

отсутствии данных испытаний можно принять значение 0.8 для

арматуры с песочным покрытием и 1.0 для

деформированной арматуры FRP. При расчете dc, толщина

защитного слоя не должна превышать 50 мм. В данном

примере,значение kb было принято за 0.8 при использовании

арматурыGFRС с песочным покрытием.

3- Не предварительно напряженное армирование:

Максимальное напряжение на арматуру FRP при расчетной нагузке в

условиях предельного состояния по пригодности к эксплуатации не

должно превышать FSLS fFRPu, где FSLS = 0.25 стекловолоконной

композитной арматуры FRP.


Проект с использованием арматуры диаметром 19 мм

db = 19.1 мм Area = 284 мм2 EFRP = 47600 MПa FRP = 0.55 fFRPu = 656 MПa

c = 0.6

f'c = 50 MПa h= 200 мм; b= 1000 мм Ec = 29034.9 MПa

Бетонное

покрытие = 38.00 мм d = 152.45 мм


1- Аварийное предельное состояние

MULS = 47.346 кН.м/м Mcr= 18.85 кН.м/м

Af = 1650 мм2/м No. 19 @ 172 мм Фактическое условие деформации: = 0.85 - 0.0015 f'c = 0.775 = 0.97 - 0.0025 f'c = 0.845 FRP Af fFRP= 1 c f'c a b c = 1998.85 ef (1 и c/0.0035 = d/(0.0035+ef) c (0.0035 + ef)=0.0035 d (2

ef = 0.01468 fFRP = 698 MПa > 656 (под армированной секцией)

c = 29.347 мм и a = c = 24.798 мм


Под армированной секцией, согласно положению 16.8.2.2 (CAN/CSA-S6-06):

Mr > 1.5 MULS

Mr = FRP Af fFRPu(d - a/2) = 75.80 кН.м > 1.5MULS = 71.295 OK

> 1.5Mcr = 28.28 OK


2- Предельное состояние по пригодности к эксплуатации (образование трещин)

MSLS= 26.31 кН.м kb = 0.8 Mcr= 18.85 кН.м

Согласно положению 16.8.2 (CAN/CSA-S6-06), максимальное напряжение на арматуру GFRP в условиях эксплуатационной нагрузки не должно превышать fFRPu


Свойства секции с трещинами: nf = Ef/Ec= 1.639 f = 0.0108308

= 0.15625

ffffff nnnk -= 22


= 110.34 MПa

fFRP-SLS = 110.34 < 0.25×fFRPu = 164 MПa OK (напряжение при эксплуатации: eSLS = fFRP-SLS /Ef = 2318.1

микронапряж. > 1500 микронапряж)

)31( kdAMf

f

SLSSLSFRP

-=-

Допустимая ширина трещины < 0.5 мм (положение 16.8.2.3)

h2 = h - kd = 176.18 мм h1 = d - kd = 128.63 мм

dc = h - d = 47.55 мм s (расстояние между

стержнями) = 172 мм

= 0.499 мм

Максимальная ширина трещины, w = 0.499 < 0.5 мм OK

Для скошенной плиты, θ =26.7, расстояние между стержнями должно быть сокращено до 153.678 мм Используется No.19 @ 150 мм

22

1

2

22

= - sdk

hh

Efw cb

FRP

SLSFRPcr


Верхнее и нижнее армирование в продольном направлении Продольное армирование, верхнее и нижнее, составляет S/120 поперечного армирования, но не превышает 67% (положение 8.18.7, CAN/CSA-S6-06)

Используется No. 19 @ 225 мм Конфигурация армирования GFRP (No.19) (Метод расчета прочности на изгиб)

Нижнее армирование Верхнее армирование поперечное продольное поперечное продольное

No.19 @ 150 мм No.19 @ 225 мм No.19 @ 150 мм No.19 @ 225 мм


3.15 м 3.15 м 3.15 м 1.53 м 1.53 м

200 мм

Пример расчета 2:

Расчет области свеса

Размеры свеса:

- Толщина 200 мм

- Длина свеса (пролет консоли):

Перпендикулярно оси балки 1.53 м

Параллельно расположению

опорных балок (сдвиг) 1.72 м

- Ширина верхнего пояса бетонных главных балок 1.20 м

Расчет свеса производится по изгибу согласно CHBDC (2006).

Пример 2: Расчет области свеса

Поперечный расчетный момент свеса

Перпендикулярный пролет, S = 1.53 м

PL-2 бетонное ограждение: 0.2635 x 23.5 = 6.19 kН/м

Бетонная плита: 0.20 x 23.5 = 4.70 kН/м2

Дорожное покрытие: 0.065 x 24 = l.56 kН/м2


При расчете свеса важную роль играет область верхнего пояса опорной

балки (1.53 - 0.6 = 0.93 м от конца моста).

Момент из-за постоянных нагрузок = 6.19 (0.93- 0.156) + 4.70 (0.93)2/2

+ 1.56 (0.93- 0.41)2/2

= 4.79 + 2.03 + 0.21 = 7.03 kН.м

Расчетный момент из-за постоянных нагрузок = 1.2 (4. 79 + 2.03) +

1.5 × 0.21

= 8.50 kН.м


Момент, возникший ввиду колесных нагрузок (экспл. нагрузки)

(Раздел 5.7.1.6.1)

Консольный момент, возникающий ввиду колесных нагрузок, My,

рассчитывается по следующей формуле:

DLA

yCxA

PAM y

-

= 1

1

1222

x = 0 (близко к колесным нагрузкам)

y = 0.6 м = 0.39 Sc (во фронтальной части верхнего пояса балки)

P = 87.5 kN (CL-625 нагрузки от большегрузного транспорта)


При жесткости кромки с барьерным

ограждением Нью Джерси (New Jersey Barrier),

и tl/t2 = 1.0, c/Sc = 0.51.

Исходя из 5.2 A = 0.15

DLA = 0.4 (допуск динамической нагрузки)

My = [2 × 87.5 × 0.15/3.14] (1+0.4) = 11.70 kН.м

Для SLS#1, коэффициент сочетания нагрузок =

0.9 (Таблица 3.1)

2%

3.15 m

12.52 m

CA B

3.15 m1.53 m 3.15 m

2%

200

mm

D

1.53 m

Sc =

P

750 C

Рабочий момент свеса MSLS = 11.70 × 0.9 + 7.03 = 17.56 kН.м/м

Разрушающий момент свеса MULS = 11.70 ×1.7 + 8.50 = 26.40 kН.м/м


Момент, создающийся из-за нагрузок, действующих на барьер

(предельные нагрузки)

(Раздел 3.8.8.1, CAN/CSA-S6-06)

Барьеры типа PL-2:

Поперечная нагрузка, действующая на длине 1050 мм и высоте 700 мм,

Pt = 100 kН

Вертикальные нагрузки, действующие на длине 5500 мм,

Pv = 30 kН


Нагрузка на свес из-за барьера

2%

3.15 m

12.52 m

CA B

3.15 m1.53 m 3.15 m

2%

200

mm

D

1.53 m

Sc =

Pv

Pt

700 mm

5.5)10.093.0(

05.1)10.07.0( -

= vty

PPM = 80.72 kН.м/м

(Раздел 12.4.3.5)

Предельный момент (из-за ударов) свеса, MULS = 80.72 +

8.5 = 89.22 kН.м/м


Расчетный момент свеса

Рабочий расчетный момент свеса получают исходя из колесных

нагрузок:

MSLS = 17.56 kН.м/м

Предельный расчетный момент свеса выше в двух случаях (при

колесных нагрузках или ударных нагрузках на барьер):

MULS = 89.22 kН.м/м


Расчет на 19 мм стержнях

db = 19.1 мм Area = 284 мм2 EFRP = 47600 MПa FRP = 0.55 fFRPu = 656 MПa

c = 0.6

f'c = 50 MПa; h= 200 мм; b= 1000 мм Ec = 29034.9 MПa

бетонное

покрытие = 38 мм d = 152.45 мм

1- Предельное рабочее состояние

MULS = 89.22 kН.м/м

Try Af = 2150 мм 2/м No.19 @ 132 мм


Фактическое деформированное состояние: = 0.85 - 0.0015 f'c = 0.775 = 0.97 - 0.0025 f'c = 0.845 FRP Af fFRP= 1 c f'c a b c = 2604.57 ef (1 и c/0.0035 = d/(0.0035+ef) c (0.0035 + ef)=0.0035 d (2

ef = 0.01267 FFRP = 603 MPa < 656 (область с излишним армированием)

c = 32.999 мм и a = c = 27.884 мм

Для области с излишним армированием, согласно п. 16.8.2.2 (CAN/CSA-S6-06) Mr > MULS > 1.5 Mcr Mr = 1cf'ca b (d - a/2) = 89.7949 kН.м > MULS = 89.22 OK > 1.5 Mcr = 28.28 OK


Свойства треснутой области: nf = Ef/Ec= 1.639 f = 0.0141129

= 0.1738

ffffff nnnk -= 22 ffffff nnnk -= 22

2- Предельное эксплуатационное состояние (Растрескивание)

MSLS= 17.56 kН.м kb = 0.8 Mcr= 18.85 kН.м


Согласно п. 16.8.3(CAN/CSA-S6-06) максимальное напряжение на СП стержни при рабочих нагрузках не должна превышать fFRPu

= 56.87 MПa

fFRP-SLS = 56.87 < 0.25×fFRPu = 164 MПa OK

(рабочее напряжение: eSLS = fFRP-SLS /Ef = 1194.7 микронапряжение < 1500 микронапряжение) Ширина трещины не вычисляется (п. 16.8.2.3). В скошенной плите, θ = 26.7 расстояние между стержнями необходимо сократить до 117.94 мм Use No. 19 @ 115 мм

Использовать No. 19 @ 150 (для верхнего поперечного армирования плит между балками) + No. 19 @ 300 (в дополнении)

-

=

31 kdA

Mff

ss

-

=-

31 kdA

Mff

SLSSLSFRP


Верхнее и нижнее армирование в продольном направлении Продольное армирование, как верхнее, так и нижнее, считается продольным армированием плиты между балками .

№ 19 @ 225 мм Схема армирование консоли, укрепленной при помощи СП композитными стержнями (№19)

Нижнее армирование Верхнее армирование Поперечное Продольное Поперечное Продольное

Нижнее поперечное

армирование плиты мостового

настила

№ 19 @ 225

№ 19 @ 150 +

№ 19 @ 300 (дополнительно)

№ 19 @ 225


Подробная схема армирования Эмпирический метод

No. 16@300 mm

No. 16@300 mm

Подробная схема армирования Методика расчет по изгибу

Technology

Презентація неметалевої арматури