УДК 624.012.454 БОКАРЕВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ, докт. техн. наук, профессор,

224
Вестник ТГАСУ № 2, 2012
УДК 624.012.454
БОКАРЕВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ, докт. техн. наук, профессор,
BokarevSA@stu.ru
ВЛАСОВ ГЕОРГИЙ МИХАЙЛОВИЧ, докт. техн. наук, профессор,
VlasovGM@stu.ru
НЕРОВНЫХ АЛЕКСЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ, аспирант,
NerovnihAA@stu.ru
Сибирский государственный университет путей сообщения,
630049, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191,
СМЕРДОВ ДМИТРИЙ НИКОЛАЕВИЧ, канд. техн. наук,
DNSmerdov@mail.ru
Уральский государственный университет путей сообщения,
620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66
КОЭФФИЦИЕНТЫ НАДЕЖНОСТИ
ДЛЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ,
ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ УСИЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ МОСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Представлена отечественная методика определения расчетных значений прочностных характеристик для различных строительных материалов (бетона, арматуры, стали).
По результатам экспериментальных исследований получено распределение прочностных характеристик для композиционных материалов. На основе полученных экспериментальных данных рекомендованы значения коэффициентов надежности для составляющих композиционных материалов на основе углеродного волокна.
Ключевые слова: углеродное волокно; композиционный материал; фиброармированный пластик; несущая способность; строительные нормы и правила;
модуль упругости, или модуль Юнга; усиление композиционными материалами; трещина; прогибы; железобетонный элемент; прочность; жесткость; деформация; напряженно-деформированное состояние; предел прочности; балка;
арматура.
BOKAREV, SERGEY ALEKSANDROVICH, Dr. of tech. sc., prof.,
BokarevSA@stu.ru
VLASOV, GEORGIY MIKHAILOVICH, Dr. of tech. sc., prof.,
VlasovGM@stu.ru
NEROVNYKH, ALEKSEY ALEKSEYEVICH, P.G.,
NerovnihAA@stu.ru
Siberian State Transport University,
191 D. Kovalchuk st., Novosibirsk, 630023, Russia,
SMERDOV, DMITRIY NIKOLAYEVICH, Cand. of tech.sc.,
DNSmerdov@mail.ru
Ural State Railway University,
66 Kolmogorov st., Yekaterinburg, 620034, Russia
 С.А. Бокарев, Г.М. Власов, А.А. Неровных, Д.Н. Смердов, 2012
Коэффициенты надежности для композиционных материалов
225
CALCULATION PERFORMANCE OF COMPOSITE
MATERIALS FOR STRENGTHENING OF BRIDGE
STRUCTURES
The domestic method of determining of the design values of strength properties for various
construction materials (concrete, reinforcement, steel) is presented in the article. The distribution of strength properties for composite materials is obtained according to the results of experimental studies. Based on the experimental data the values of the reliability coefficient for the
components of composite materials are recommended.
Keywords: carbon fiber; composite material; fiber-reinforced materials with polymeric matrix (FRP); bearing strength; Building Code; coefficient of elasticity;
strengthening by composite materials; crack; deflections; finite element method; reinforced concrete element; rigidity; stiffness; strain; stress-strain relationship; ultimate
strength; beam; reinforcement.
На мостах и путепроводах Российской Федерации установлено более
ста тысяч железобетонных пролетных строений, различающихся конструктивными решениями, нормами проектирования, технологией сооружения,
действующими на них нагрузками и работающих в различных, в том числе
сложных, климатических условиях. На сегодняшний день существенно растут
требования к обеспечению несущей способности таких конструкций и, соответственно, безопасности движения по ним, что связано в первую очередь
с накоплением ими повреждений, ростом скорости и интенсивности движения, увеличением осевой временной нагрузки и пр. Для обеспечения безопасной эксплуатации и повышения долговечности железобетонных пролетных
строений и эксплуатационной надежности эффективным является применение
современной технологии усиления их композиционными материалами на основе углеродного волокна.
В 2011 г. Федеральное агентство по техническому регулированию
и метрологии опубликовало приказ от 1 июня 2010 г. № 2079, в соответствии
с которым в целях обеспечения выполнения положений пункта 9 статьи 16
Федерального закона от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании» и пункта 4 статьи 42 Федерального закона от 30 декабря 2009 г.
№ 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений»
утвержден перечень документов (сводов правил) в области стандартизации,
в результате применения которых на добровольной основе обеспечивается
соблюдение требований Федерального закона от 30 декабря 2009 г. № 384-ФЗ
«Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» (документ
с изменениями, внесенными приказом Росстандарта от 18 мая 2011 г.
№ 2244). Приведенный в приказе перечень сводов правил (СП) представляет
собой обновленный актуализированный список строительных норм и правил
(СНиП), в пункты которых внесены соответствующие изменения, учитывающие динамику и рост отрасли Российской Федерации, и общемировые тенденции развития новых технологий. В перечне необходимо отметить
СП 35.13330.2011 СНиП 2.05.03–84* [1], который является одним из последних обновленных документов. Данный нормативный документ в соответствии
с п. 5.4, 5.39, 6.27, 7.33, 7.165 разрешает применение композиционных материалов в практике мостостроения, но не регламентирует ни порядок проекти-
226
С.А. Бокарев, Г.М. Власов, А.А. Неровных и др.
рования и расчета, ни назначение расчетных характеристик композиционных
материалов. Хотя известно, что у нас в стране и за рубежом выполнены исследования [2–4], позволившие сформировать основные подходы к назначению прочностных характеристик и проектированию железобетонных элементов, усиленных композиционными материалами в целом.
Разработанные к настоящему времени руководства, технические условия, стандарты организаций [5–10] по применению композиционных материалов для ремонта и усиления железобетонных строительных конструкций рекомендуют принимать прочностные и деформативные характеристики холстов, ламелей, волокон и клеящих составов на основе действующих
государственных стандартов на испытание материалов [11–13] или по данным, представленным фирмами-производителями. В табл. 1 в качестве примера приведены некоторые из таких характеристик составляющих композиционных материалов одного из производителей. Однако ни стандарты,
ни производители композиционных материалов не дают ответа на ряд вопросов. Какова обеспеченность заявленных значений? Как от указанных значений
перейти к нормативному и расчетному значению сопротивления осевому растяжению композиционного материала?
Таблица 1
Характеристики составляющих композиционных материалов
Е, ГПа
Rc, МПа
ε, %
Коэффициент
температурного
расширения ,
10–6 °С–1
> 390
> 2400
0,5
–1,45
1,85
> 240
> 4100
1,6
–0,6
1,75
> 2,7
40–82
1,4
30
1,1
Стекловолокно
> 85
> 3500
4,5
1,6
2,46
Арамид-волокно
> 62
>3600
1,9
–2
1,4
Материал
Углеволокно (высокоупругое)
Углеволокно (высокопрочное)
Полимерная матрица и полимерный
клей
Удельный
вес , г/см3
Примечание. Е  модуль упругости; Rc – сопротивление осевому растяжению; ε – относительная деформация при разрыве.
Предполагается, что сопротивление осевому сжатию подчиняется нормальному закону и класс бетона по результатам испытания кубиков определяют по формуле
B  R  1,64 R ,
(1)
где R – средняя кубиковая прочность бетона, МПа; R – среднеквадратическое отклонение прочности, МПа.
Коэффициенты надежности для композиционных материалов
227
В конструкциях сопротивление бетона сжатию характеризуется призменной прочностью, нормативное значение которой Rbn, в МПа, определяют
в зависимости от класса бетона по формуле
Rbn   0,77  0,001B  B  0,72B .
(2)
Нормативное сопротивление бетона растяжению Rbtn принимают равным (0,007–0,04)B, причем первая цифра относится к классу бетона B20, вторая – к классу бетона B60. В расчетах по первой группе предельных состояний расчетное сопротивление бетона осевому сжатию Rb и осевому растяжению Rbt определяют из следующих зависимостей:
Rb   n Rbn / b ,
(3)
Rbt   n Rbtn / bn ,
(4)
где n – коэффициент надежности по назначениям, учитывающий ответственность сооружения (для мостовых конструкций n принят 0,9); b, bt – коэффициенты надежности по материалу, учитывающие возможные отклонения фактической прочности материала от ее нормативного значения (для бетона
b = 1,3; bt = 1,5).
Предполагается, что расчетное сопротивление назначают исходя из
обеспеченности – 0,9986, т. е.:
Rрасч  R (1  3 ) .
(5)
Из этого следует, что коэффициенты вариации (), принятые для определения коэффициентов надежности по материалу в (3) и (4), соответственно
равны 0,1327 и 0,1748.
В расчетах эксплуатируемых конструкций средние значения (математические ожидания) прочности бетона определяются по данным обследований
либо по проекту, в зависимости от класса:
(0,77  0,001B) B
Rb 
,
(6)
1  1,64
где  – коэффициент вариации; B – класс бетона по прочности, который связан с маркой бетона M соотношением
B  0,0981M (1  1,64) .
Расчетное сопротивление арматуры Rs определяют по формуле
Rs  n Rsn /  s ,
(7)
(8)
где Rsn – нормативное сопротивление.
Прочность ненапрягаемой арматуры, используемой в ребрах главных
балок пролетных строений, также подчиняется нормальному закону распределения. Для арматуры разных классов коэффициенты вариации прочности
различны и равны:
– для гладкой арматуры класса АI –  = 0,0297;
– для арматуры периодического профиля класса АII –  = 0,0353;
– для арматуры периодического профиля класса АIII –  = 0,0426.
228
С.А. Бокарев, Г.М. Власов, А.А. Неровных и др.
За нормативное сопротивление принимают предел текучести физический (для мягких сталей, имеющих площадку текучести) или условный, соответствующий остаточному удлинению, равному 0,2 % (для твердых сталей)
с обеспеченностью 0,95. Коэффициент n принимают для железнодорожных
мостов равным 0,90, для автодорожных – 0,95. Коэффициент s принимают
равным 1,05 ( = 0,0331) для сталей классов А240, А300; 1,07 ( = 0,0446) для
сталей классов Ас300, А400 при d = 10–40 мм; 1,10 ( = 0,0602) для сталей
класса А400 при d = 6–8 мм.
Для уточнения расчетных значений прочности холстов, ламелей, адгезивов необходимо выявить основные параметры распределения их прочностных характеристик и на этом основании назначить соответствующие коэффициенты надежности по материалу. Следует отметить, что нас в данном исследовании интересовали не все
композиционные материалы, нашедшие
применение в строительной отрасли, а только – на основе углеродного волокна. Особенностью этого материала является то, что он обладает наибольшим
модулем упругости из всех известных на настоящий момент подобных материалов. И именно это свойство позволяет наиболее эффективно использовать
его при усилении железобетонных пролетных строений мостов, работающих
на изгиб. На рис. 1 приведены диаграммы деформирования различных видов
волокна, применяемых при строительстве, реконструкции и ремонте инженерных сооружений.
Рис. 1. Диаграммы деформирования волокна и стали при растяжении
В лаборатории «Мосты» Сибирского государственного университета
путей сообщения в течение последних пяти лет проводились испытания ком-
Коэффициенты надежности для композиционных материалов
229
позиционных материалов, используемых в строительстве для усиления железобетонных элементов мостовых конструкций. В соответствии с действующими нормативными документами [11–13] были проведены испытания композиционных материалов и их составляющих – холстов и ламелей на прочность при растяжении, связующих – при отрыве и сдвиге. Кроме этого, были
испытаны железобетонные образцы, усиленные композиционными материалами на основе углеродного волокна. На рис. 2 приведены виды образцов,
подготовленных к испытанию, а на рис. 3 в качестве примера представлены
диаграммы деформирования некоторых образцов, полученные по результатам
испытаний.
а
б
г
в
Рис. 2. Образцы, подготовленные к испытаниям:
а – растяжение; б – отрыв; в – сдвиг; г – изгиб
б
НагрузкаP,Р,кН
кН
Нагрузка
Напряжение образца, МПа
а
Деформация образца, мм
140
130
Б-Н 1-3
120
110
100
A1-3
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Прогиб
мм
Прогибввсередине
середине пролета, мм
Рис. 3. Диаграммы деформирования:
а – углепластиковых ламелей при испытании их на растяжение; б – железобетонных
балок, усиленных холстами из углеродных волокон, при испытании их на изгиб
230
С.А. Бокарев, Г.М. Власов, А.А. Неровных и др.
Результаты, характеризующие распределение прочностных характеристик, приведены в табл. 2. Общее количество испытанных образцов, включенное в обработку, составило более 200 шт. В выборке представлены композиционные материалы отечественных и зарубежных фирм, которые применяются в отечественной строительной практике (Композит, BASF, Sikа, Freyssinet).
Таблица 2
Статистические параметры распределения прочности
Материал или конструктив,
вид нагружения
Холсты, растяжение
Ламели, растяжение
Связующие, отрыв от бетона
Связующие, отрыв от металла
Связующие, сдвиг
Железобетонные образцы, изгиб
Железобетонные образцы, усиленные холстами, изгиб
Железобетонные образцы, усиленные ламелями, изгиб
Значения
Коэффициент
коэффициента вариации
надежности
по
материалу
МаксиМиниСреднее
и
размах
выборки
мальное мальное
0,0422
0,0806
0,0092 1,07 (1,01–1,14)
0,0184
0,0261
0,0072 1,03 (1,01–1,04)
0,0461
0,0864
0,0142 1,07 (1,02–1,16)
0,0973
0,2917
0,0043 1,03 (1,03–1,08)
0,0725
0,1293
0,0364 1,13 (1,06–1,29)
0,0468
0,0597
0,0328 1,07 (1,05–1,10)
0,0606
0,1527
0,0159
1,10 (1,02–1,38)
0,0680
0,0988
0,0327
1,12 (1,06–1,19)
На основе полученных данных можно рекомендовать следующие значения коэффициентов надежности по материалу:
– холсты – 1,2;
– ламели – 1,1;
– связующие при отрыве – 1,2;
– связующие при сдвиге – 1,3.
Коэффициент надежности по назначению целесообразно принять для
указанных материалов равным 0,9 для железнодорожных и автодорожных мостов. Кроме этого, в расчете усиления железобетонных пролетных строений,
усиленных композиционными материалами на основе углеродного волокна,
должен быть учтен коэффициент условий работы, который на основе рекомендаций [2] может быть принят равным 0,85 для ламелей и 0,8 для холстов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. СП 35.13330.2011 СНиП 2.05.03–84* Мосты и трубы (Актуализированная редакция). –
М. : ЦНИИС, 2011. – 340 с.
2. Шилин, А.А. Внешнее армирование железобетонных конструкций композиционными
материалами / А.А. Шилин, В.А. Пшеничный, Д.В. Картузов. – М. : Стройиздат, 2007. –
180 с.
3. Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Stregthening
Concrete Structures. Reported by FCI Committee 440, FCI 440.2R-02. – 2002. – 45 p.
Коэффициенты надежности для композиционных материалов
231
4. Nabil, F. Grace. Concrete Repair with CFRP / F. Nabil // Concrete International. – 2004. –
May. – P. 45–52.
5. Руководство по усилению железобетонных конструкций композитными материалами /
Разработано в развитие СП 52-101–2003 «Бетонные и железобетонные конструкции без
предварительного напряжения арматуры». – М. : НИИЖБ, 2006. – 48 с.
6. ТУ 5851-001-13613997–04. Технические условия. Системы внешнего армирования железобетонных мостов. – М., 2004. – 12 с.
7. Технические указания по применению материалов, изготавливаемых фирмой «Sika», для ремонта эксплуатируемых железобетонных мостов. Т. 1. – СПб. : НИИ мостов, 2008. – 90 с.
8. СТО 42010705-4.02.02–08. Внешнее армирование железобетонных конструкций композитными материалами. – М. : ЗАО «Триада-Холдинг», 2008. – 40 с.
9. СТО 2256-002–2011. Комплексная система FibARM по ремонту и усилению строительных конструкций, путем внешнего армирования композитными материалами холодного
отверждения. – М. : ЗАО «ПРЕПРЕГ – СКМ», 2011. – 13 с.
10. СТО 13623997-001–2011. Стандарт организации ООО «Зика» Усиление железобетонных
конструкций композитными материалами фирмы Sika. – М. : ООО «Зика», 2011. – 63 с.
11. ГОСТ 25.601–80. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний
композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания
плоских образцов на растяжение при нормальной, повышенной и пониженной температурах. – М., 1981. – 8 с.
12. ГОСТ 14760–69. Клеи. Методы испытания прочности при отрыве. – М., 1969. – 5 с.
13. ГОСТ 14759–69. Клеи. Метод определения прочности при сдвиге. – М., 1969. – 12 с.