Усиление железобетонных конструкций, особенно колонн зданий, инженерных и мостовых сооружений с целью повышения их несущей способности обычно производится в случае предполагаемого увеличения проектной нагрузки на несущие конструкции, повышения их жесткости, восприятия дополнительного изгибающего момента или для повышения сейсмической устойчивости (защиты от землетрясений).

Традиционно, в этих случаях применяют следующие способы усиления: (1) охватывание колонн стальными обоймами или «обручами»; (2) увеличение поперечного сечения колонн путем присоединения бетонных или железобетонных элементов.

Усиление стальными обоймами по периметру ж.б. колонн повышает прочность бетона и его деформативность, а также предотвращает проскальзывание и изгиб внутренней продольной арматуры. Однако, этот способ усиления имеет и ряд существенных недостатков. Во-первых, наружное расположение стальных обойм, особенно в условиях агрессивной внешней среды, способствует развитию их коррозии и снижению вследствие этого усиливающего эффекта. Во-вторых, несовместимость деформационных характеристик (модуля упругости и коэффициента Пуассона) стали и бетона. В связи с этим альтернативой усилению колонн стальными обоймами является их усиление композитными материалами (система «внешнего армирования»).

Рис.1. Общий вид колонн, усиленных композитными материалами (слева) и стальными обоймами (справа)

Композитные материалы в отличие от стали, создающей постоянное радиальное давление на усиливаемый элемент после достижения пластичности, упруго деформируется вплоть до разрушения и поэтому оказывает возрастающее пассивное радиальное давление на бетон, находящийся под осевой нагрузкой. Из диаграммы, представленной на Рис.2. следует, что начало осевой деформации бетона происходит после достижения стальной обоймой предела текучести и не сопровождается увеличением радиального давления на условный бетонный образец, в то время как обойма из композитного материала вызывает постоянно возрастающее радиальное давление на образец.

Рис.2. Сравнительные графики деформирование ж.б. колонн при их усилении обоймами из стали и композиционных материалов

Предельные деформации бетона, усиленного обоймой из композитов, находятся в функциональной зависимости от предельных расчетных деформаций того или иного композиционного материала, принятого для усиления. Экспериментальные исследования показывают, что тангенциальные разрушающие деформации обычно имеют меньшие значения, чем разрушающие деформации, получаемые при стандартных испытаниях на растяжение. Снижение величин разрушающих деформаций можно объяснить следующими факторами:

• Трехосным напряженным состоянием охватывающего бетон композиционного материала. Обойма композитного материала совместно с бетоном усиливаемой конструкции воспринимает сжимающие напряжения, пассивный отпор бетона и растягивающие напряжения от бокового расширения. Их величина зависит от типа композиционного материала и состояние соединяемых поверхностей, которое в свою очередь зависит от целого ряда факторов (жесткость агдезива между композитной обоймой и бетоном, тщательность и условия подготовки соединяемых поверхностей и т.д.). В случае неполного воздействия обоймы на бетон колонн подвергается только передающимся на нее сжимающим напряжениям и деформациям.

• Качеством выполнения подготовки поверхности бетона. Если волокна композитного материала в некоторых местах расположены неэффективно из-за наличия пустот или некачественной подготовки поверхности, то часть энергии тангенциальной деформации приходится на вытягивание волокон. Таким образом при наклейке композитов к усиливаемой конструкции не допускаются неправильно закругленные края холста или местные неровности.

• Наличием масштабного усиливающего эффекта при монтажа композитной ленты в несколько слоев.

Многочисленные экспериментальные исследования процессов деформирования и разрушения бетона в условиях трехосного напряженного состояния позволили установить, что бетон в колоннах, охваченных обоймами из композиционного материала, ведет себя как билинейный материал. При этом прочность бетона в направлении действия максимального напряжения значительно возрастает. Так например, при усилении двухметровой ж.б. колонны обоймой из пяти слоев холстового композиционного материала S&P-C-Sheet 240 прочность бетона на сжатие возросла на 57%.

Таким образом, усиление железобетонных колонн холстовыми композитными материалами имеет ряд неоспоримых преимуществ перед традиционно используемыми для этих целей металлическими обоймами.