Усиление сдвига стен URM с помощью систем FRP

Усиление стен

Усиление сдвига неармированных кладочных стен URM с помощью систем FRP

S. GRANDO, M. R. VALLUZZI
Отдел транспортной и строительной инженерии, Университет Падуи
VIAMARZOLO – 9 – 35131 Падуя, Италия
A. NANNI, J. G. TUMIA
Центр исследований инженерной инфраструктуры
65409-00300, США, Миссури, Ролла, Минерсиркл

Эта статья представляет экспериментальную программу, посвященную усилению сдвига неармированных кладочных стен (URM), построенных из глиняных блоков, с использованием систем из волокно-армированного полимера (FRP). Пять глиняных кладочных панелей были усилены FRP в виде листов и стержней и подвергнуты нагрузке по диагонали для оценки их сдвиговых характеристик. Размеры панелей в плане составляли 1,22 х 1,22 м, а толщина — 120 мм. Для стержней применялись описанные строительные техники, включающие размещение стержней FRP в швах кладки. С другой стороны, для листов использовалась техника ручной укладки. Результаты демонстрируют повышение эффективности сдвиговых характеристик стен URM в плане прочности и видимой пластичности.

Введение

Когда плоская нагрузка прикладывается к растянутой стене, предельная прочность может быть легко определена, и стена URM обрушится. Основное воздействие такого типа нагрузки — это сдвиговое напряжение, которое можно обнаружить по трещинам, проходящим по всей длине и направленным вдоль линии сдвигового разрушения. После раскрытия трещины стена теряет всю свою прочность и может легко обрушиться под плоской нагрузкой и за её пределы, подвергая опасности человеческие жизни. По этой причине предотвращение и контроль такого типа разрушения имеют большое значение.
Использование систем FRP может стать убедительным решением этой проблемы. Применение композитов FRP позволяет увеличить предельную прочность стены без увеличения её веса и жесткости, избегая опасных последствий, вызванных сейсмическими событиями.

Дополнительные преимущества FRP

Кроме того, использование FRP обеспечивает эстетические и практические строительные преимущества, такие как минимальная потеря полезного пространства и возможность скрыть усиливающие материалы с помощью простой штукатурки. Также применение пластиковой опалубки может рассматриваться как дополнительное решение для усиления конструкций.

Описание строительных материалов (рабочие материалы)

Экспериментальные испытания были проведены для характеристики механических свойств строительных материалов, использованных в этом исследовании. Средняя прочность на сжатие глиняных кирпичей кладки, полученная в результате испытаний призмы, составила 15,78 МПа (ASTM C1314). Стены были усилены стержнями #2 GFRP диаметром 6 мм и листами GFRP, встроенными в эпоксидный клей, с механическими свойствами, указанными в производственных и испытательных данных, как показано в таблице 1 ниже.

Таблица 1 – Механические свойства

Метод усиления

Техника ручной укладки

Техника ручной укладки включает следующие этапы:
(a) Нанесение грунтовки для уменьшения пористости поверхности кладочной стены;
(b) Вторичный слой шпатлевки для выравнивания неровностей на поверхности стены;
(c) Нанесение слоя пропитанного материала, такого как клей, с помощью валика;
(d) Фиксация положения листов FRP на поверхности стены с использованием валика для удаления пузырьков воздуха, захваченного между пропитанным материалом и волокнами;
(e) Нанесение второго слоя пропитанного материала (см. рисунок 1).

Описанная строительная техника FRP

Описанная строительная техника FRP требует более простого метода применения:
(a) С использованием шлифовальной машины с алмазным диском вырезаются пазы толщиной в 1,5 раза больше диаметра стержня;
(b) Слой клея для встраивания помещается в паз с помощью подходящего пистолета; стержень вставляется в паз, затем паз полностью заполняется клеем, чтобы закрепить стержень FRP (см. рисунок 2).

Рисунок 2 – Описанная строительная техника FRP
Рисунок 1 – Техника ручной укладки

Образцы для испытаний

Всего было изготовлено пять глиняных кирпичных кладочных стен размером 1220 х 1220 х 102 мм с использованием глиняных кирпичей размером 203 х 102 х 51 мм в непрерывном шве раствора. Все стены были построены с использованием подходящего лезвия, чтобы избежать дополнительных переменных, таких как методы строительства и удобоукладываемость раствора, которые обычно возникают при подготовке образцов.

Экспериментальная программа

Экспериментальная программа представлена на рисунке 3. Одна стена URM, Co1, служила контрольным образцом: стена CB1 была усилена 2 стержнями GFRP в каждом вторичном шве раствора на противоположной стороне; стена CB2 также имела такое же количество стержней FRP на задней стороне, как и CB1; стена CL1 была оснащена листами CFRP шириной 76,5 мм (3 дюйма) через каждые 152,5 мм (6 дюймов), что дало в общей сложности 5 полос на передней стороне. Стена CL2 была усилена аналогично CL1, но с таким же количеством листов также на задней стороне в положении, аналогичном передней стороне.
Количество усиливающей арматуры для различных конфигураций эквивалентно с точки зрения осевой жесткости E.A (модуль упругости, умноженный на площадь поперечного сечения).

Рисунок 3 – Программа испытаний

Подготовка к испытаниям

Образцы тестировались методом замкнутого цикла. Два гидравлических домкрата грузоподъемностью 30 тонн приводились в действие ручным насосом и использовались для создания электрической нагрузки по диагонали стены, подвергаемой испытанию. Во время нагружения сила прикладывалась к стене через стальной башмак, расположенный в верхнем углу, и передавалась в нижний угол через высокопрочные стальные стержни к аналогичным устройствам.

Процесс нагружения

Рисунок 4 иллюстрирует подготовку к испытаниям. Нагрузка прикладывалась циклами и снималась каждые 10 тонн для оценки стабильности системы. Данные собирались с помощью локальных ячеек и линейных дифференциальных преобразователей (LVDTs) и записывались системой сбора данных DAYTRONTZ с частотой 1 Гц. Для измерения смещения и раскрытия трещин в стенах два LVDTs были размещены вдоль длины каждой стороны стены.

Рисунок 4 – Подготовка к испытаниям

Механизм разрушения

Усиление с одной стороны

Общий механизм разрушения наблюдался при усилении одной стороны стен (см. рисунок 5). Это разрушение развивалось в два этапа: один в плоскости, другой вне плоскости, как описано ниже:

(a) Этап в плоскости

Сначала образуется трещина из-за отделения кладочных блоков от раствора, что происходит на неармированной стороне и распространяется через толщину стены, пока не происходит разрушение эпоксидного клея на стыке кладочного блока. Вслед за этим стена ломается, так как растягивающее напряжение больше не передается на FRP в течение длительного времени. Стена трескается по диагонали, после чего швы раствора трескаются, образуя сдвиговую и слоистую трещину (рисунок 6).

(b) Этап вне плоскости

(Рисунок 7) Раскрытие трещин на неармированной стороне больше, чем на армированной, из-за большего количества трещин (рисунок 8).

Усиление с двух сторон стены

В случае усиления обеих сторон стены разрушение происходит внезапно и быстрее, чем в описанном ранее случае. Разрушение происходит при более высокой нагрузке (рисунок 8), что связано с нулевым эксцентриситетом арматуры. Фактически, наличие арматуры с обеих сторон стены исключает этап вне плоскости при разрушении.
В этих усиленных стенах присутствие арматуры способствует образованию диагональных трещин, движущихся вдоль строительных блоков (рисунок 9), вместо давления на действие слоистых сдвиговых трещин. Трещина обычно развивается на рабочих материалах и системе FRP, распространяясь через швы без изменения направления. Таким образом, силы растяжения в FRP, перекрывающие диагональную трещину, увеличивают сдвиговую прочность стен. Кроме того, в результате приложенных нагрузок наблюдаются состояния раскалывания (стена CB2, рисунок 9) и скольжения (стена CL2, рисунок 12).

Рисунок 5 – Общий механизм разрушения для стен с односторонним усилением
Рисунок 8 – Раскрытие трещин на передней и задней сторонах стен
Рисунок 9 – Действие трещин при двустороннем усилении (раскалывание в середине)

Анализ результатов испытаний

Для контрольной стены Co1 разрушение было хрупким и внезапным, контролируемым соединением строительных компонентов и раствора. Все стены разрушались из-за разрыва глины, но усиленные стены демонстрировали большую пластичность. В последнем случае среди всех усиленных стен ослабление материала наблюдалось только в стене CL2, что было вызвано скольжением шва раствора. Максимальное увеличение сдвиговой прочности (около 200%) было зафиксировано в двух стенах (CB2 и CL2).

Расчет пластичности

Для сравнения различий и типов арматуры был установлен критерий, основанный на сдвиговой деформации. Видимая пластичность “M” рассчитывалась с использованием следующих соотношений (1) и (2):
(1)
(2)
Это представляет собой конечную сдвиговую деформацию и текущую сдвиговую деформацию (соответствующую изменению наклона относительно диаграмм нагрузка против сдвиговой деформации). Учитывая деформации, вызванные продольной нагрузкой, как основные деформации, максимальная сдвиговая деформация выражается как сумма этих изменений, результаты указаны в таблице 2.

Таблица 2 – Сравнение видимой пластичности

Интерпретация результатов

Рисунок 10 показывает нагрузку в плоскости против кривых сдвиговой деформации для всех испытанных стен. На основе таблицы 2 и рисунка 10 лучшая производительность наблюдается у стены CL2, усиленной симметрично распределенными листами с обеих сторон. Это повышает как предельную прочность, так и видимую пластичность. В целом, эта стена разрушилась со скольжением пятого шва после разрыва. Кроме того, отмечается, что максимальное значение соответствует стенам CL, вероятно, из-за большей площади, покрытой листами по сравнению со стержнями.

Факторы производительности

Подходящее поведение глиняных панелей по сравнению с аналогичными бетонными стенами обусловлено тем, что раствор может проникать в отверстия кирпичей, образуя прочную и жесткую систему (см. рисунок 1). Это приводит к эффекту действия штифта раствора, увеличивая прочность стены. Разрушение в виде раскалывания (рисунок 9) в центральной области вдоль сжатой длины в стене CB2 произошло из-за тангенциального напряжения, вызванного высоким удержанием между глиняными кирпичами и симметричной зоной арматуры (стержни #2 GFRP с обеих сторон).
Разрушение в виде скольжения (рисунок 12) в стене CL2 было вызвано сочетанием увеличенной предельной нагрузки (из-за наличия арматуры с обеих сторон) и меньшей прочностью на границе неармированного шва раствора. Тем не менее, в этом случае было зафиксировано большее увеличение сдвиговой прочности, так как горизонтальные листы удерживали строительные слои там, где происходило скольжение, и трещины перекрывались вдоль верхних швов (соединение мостиком).