Результаты расчетных исследований железобетонных конструкций с использованием системы внешнего усиления на основе композитных материалов

Введение. В ходе исследования выполнено расчетное обоснование прочности железобетонной балки, усиленной композитными материалами. На первом этапе разработана упругая конечно-элементная модель для анализа распределения напряжений и расчета необходимой площади армирования. На втором этапе включена нелинейная деформационная модель бетона, учтен процесс трещинообразования. Итерационные расчеты показали достижение предельного состояния конструкции. На третьем этапе была создана модель с внешним композитным армированием. Усиление уменьшило прогиб с 7,36 до 6,47 мм, снизило напряжения в арматуре на 17,46 % и увеличило несущую способность на 32 %. Планируются экспериментальные исследования, включая учет динамических воздействий и температурно-влажностных факторов.

Цель. Исследование эффективности применения композитных материалов на основе полимеров, армированных волокнами, для усиления железобетонных конструкций; сравнение напряженно-деформированного состояния усиленной и неусиленной конструкций.

Материалы и методы. Расчетные исследования железобетонных конструкций выполнялись методом конечных элементов на основе нелинейных моделей в программном комплексе ANSYS.

Результаты. Результатом работы стал анализ напряженно-деформированного состояния железобетонной конструкции с внешним композитным армированием и без него, оценивший эффективность усиления в повышении прочности и долговечности. Основная задача – моделирование и анализ таких конструкций, включая влияние композитов на снижение напряжений, уменьшение прогибов и увеличение несущей способности.

Выводы. Результаты показали, что применение композитных материалов для внешнего армирования железобетонных конструкций эффективно снижает напряжения в арматуре, уменьшает прогиб и предотвращает образование трещин под композитным покрытием. Максимальные растягивающие напряжения в арматуре снизились на 17,46 %, а несущая способность конструкции увеличилась на 32 % (с 126,75 до 167,31 кН).

1. Jawdhari A., Peiris A., Harik I. Experimental study on RC beams strengthened with CFRP rod panels. <i>Engineering Structures</i>. 2018, vol. 173, pp. 693–705.

2. Jawdhari A., Harik I. Finite element analysis of RC beams strengthened in flexure with CFRP rod panels. <i>Construction and Building Materials</i>. 2018, vol. 163, pp. 751–766.

3. Pham T.M., Hadi M.N.S., Youssef J. Optimized FRP wrapping schemes for circular concrete columns under axial compression. <i>Journal of Composites for Construction</i>. 2015, vol. 19, no. 6, p. 04015015.

4. Erki M.-A., Meier M.U. Impact loading of concrete beams externally strengthened with CFRP laminates. <i>Journal of Composites for Construction</i>. 1999, vol. 3, no. 3, pp. 117–124.

5. White T.W., Soudki K.A., Erki M.-A. Response of RC beams strengthened with CFRP laminates and subjected to a high rate of loading. <i>Journal of Composites for Construction</i>. 2001, vol. 5, no. 3, pp. 153–162.

6. Lisichkin S.E., Rubin O.D., Pashchenko F.A. Results of studies on strengthening retaining walls with composite materials. <i>Power Technology and Engineering</i>. 2021, vol. 55, no. 3, pp. 373–379.

7. Лисичкин С.Е., Рубин О.Д., Пащенко Ф.А. Результаты исследований усиления подпорных стен композитными материалами // <i>Гидротехническое строительство</i>. 2021. № 4. С. 35–42.

8. Пащенко Ф.А., Лисичкин С.Е., Рубин О.Д. Экспериментальное обоснование усиления подпорных стен. В сборнике: Инженерные системы. Труды научно-практической конференции с международным участием, посвященной 60-летию Российского университета дружбы народов. В 2-х томах. Под общей редакцией М.Ю. Мальковой. 2020. С. 15–21.

9. Рубин О.Д., Антонов А.С., Лисичкин С.Е., Баклыков И.В., Бекин Н.В., Фролов К.Е. Расчетное обоснование технического решения по усилению железобетонного перекрытия машинного зала ГЭС // <i>Строительство: наука и образование</i>. 2019. Т. 9. № 1 (31). С. 4.

10. Рубин О.Д., Антонов А.С., Лисичкин С.Е., Фролов К.Е., Лисичкин А.С. Обоснование решения по усилению железобетонных конструкций после кратковременных ударных нагрузок, на примере ГЭС Айурикин // <i>Строительство: наука и образование</i>. 2019. Т. 9. № 3 (33). С. 6.

11. Рубин О.Д., Лисичкин С.Е., Фролов К.Е. Разработка методики расчета прочности изгибаемых балочных элементов ГТС, усиленных внешним армированием из углеродного волокна, в продольных сечениях. В сборнике: ДОКЛАДЫ ТСХА. Материалы международной научной конференции. 2018. С. 184–188.

12. Рубин О.Д., Лисичкин С.Е., Фролов К.Е. Результаты экспериментальных исследований железобетонных конструкций ГТС, имеющих межблочные строительные швы, усиленных внешним армированием из углеродного волокна // <i>Вестник МГСУ</i>. 2018. Т. 13. № 9 (120). С. 1067–1079.

13. Menetrey P., Willam K.J. A triaxial failure criterion for concrete and its generalization. <i>ACI Structural Journal</i>. Vol. 92, pp. 311–318.