Проблема реставрации и восстановления зданий – памятников архитектуры – это проблема всех старинных российских городов. Реставрационные работы, как правило, начинаются с комплексного технического обследования зданий. При проведении обследования очень часто выясняется, что кроме реставрации самого фасада необходимо выполнить комплекс работ по усилению несущих и ограждающих конструкций здания. Обследование зданий памятников архитектуры постройки XIX и начала XX века показывает, что в опорных сечениях деревянных балок часто возникают усушечные продольные трещины. Совершенствование технологии щадящего усиления исторически значимых конструкций, демонтаж и замена которых значительно дороже ремонта или невозможны вообще, является актуальной задачей.
Сравнительно простым, эстетичным, щадящим конструкцию способом усиления таких балок может являться поверхностное наклонное армирование опорных зон боковых граней однонаправленной лентой из углеволокна. Для проверки эффективности данного конструктивного решения в лаборатории кафедры КДКП ННГАСУ авторами был проведен эксперимент на малых образцах.
Для испытания были изготовлены два образца составных балочек длинной 720 мм общим сечением 20х40 мм из чистой древесины сосны с влажностью 8 %, усиленные углеродной однонаправленной лентой производства холдинговой компании ЗАО «Композит» (г. Москва) марки FibARM с плотностью 230 г/м2, модулем упругости 230 ГПа и прочностью при растяжении 4 ГПа. Лента наклеивалась на боковые грани опорных зон балки по главным растягивающим напряжениям под углом 30°. В качестве связующего был использован клей на основе эпоксидной смолы ЭД-20 с добавлением отвердителя полиэтиленполиамина (ПЭПА) в пропорции 1/8 в весовых частях. Перед наклеиванием нижняя грань деревянных образцов зачищалась. Слой углеродного волокна укладывался на клеевой состав. В течение суток клей отвердевал (рис. 1).
Рис. 1. Образцы балочек до испытания
Для изучения напряженно-деформированного состояния балок с расчетным пролетом 640 мм была принята восьмиточечная схема нагружения, которая с достаточной точностью имитирует эксплуатационную нагрузку, равномерно распределенную по пролету. Расчетная нагрузка определялась в зависимости от геометрических размеров балок и расчетного сопротивления древесины на изгиб. Оснастка для испытательного стенда была собрана из деревянных брусков сечением 30х30 мм и 30х50 мм и стальных тросов диаметром 3 мм. Загружение производилось вручную ступенчато двадцати килограммовыми гирями в течение 2 минут до разрушения. При этом первой ступенью нагрузки являлось приложение веса корзины в 16 кг. На образцы был установлен прогибомер часового типа с ценой деления 0,1 мм для измерения прогибов посередине испытуемой балочки.
Разрушение обеих балок произошло при нагрузке 316 кг и имело первоначальной причиной хрупкую внезапную потерю рочности клеевого шва между одной из углеродных лент и древесиной. Это можно увидеть по заранее нанесенным на балочки рискам (рис. 2). Составная балка, внезапно потерявшая связность работы составляющих ее элементов в тот же момент разрушалась от действия нормальных напряжений.
Рис. 2. Образец балочки после испытания
Для сравнения в табл. 1 приводятся значения экспериментальных и вычисленных по методикам [1,2], пределов прочности образцов с общим размером сечения 20х40 разной конструкции.
Сравнение экспериментальных и теоретических значений пределов прочности
|
Конструкция образцов |
Расчет |
Эксперимент |
|
|
Из чистой древесины |
Из древесины первого сорта |
||
|
Балочка цельного сечения |
324 кгс |
170 кгс |
– |
|
Составная балочка на податливых связях нагельного типа |
132 кгс |
70 кгc |
– |
|
Составная балочка, усиленная углеволокном |
262 кгc |
222 кгc |
316 кгc |
При этом теоретические значения пределов прочности балочек, усиленных углеволокном, определялись исходя из следующих расчетов:
Суммарной сдвигающая сила верхней половины сечения относительно нижней при действии равномерно распределенной нагрузки определяется по формуле Журавского, на основании которой получим
Максимальное касательное напряжение на опоре τmax:
Расчетная поперечная сила Q:
где q – линейная нагрузка на балку; l – пролет балки.
Момент инерции I:
где b – ширина поперечного сечения элемента; h – высота поперечного сечения элемента.
Статический момент инерции S:
Тогда суммарная сдвигающая сила равна:
Для восприятия данного сдвигового усилия используется лента из углеволокна, наклеенная в опорных зонах под углом 30° к оси балки.
Армирование должно воспринимать внешнюю сдвигающую силу как из условия прочности углеволокна:
так и из условия прочности клеевого соединения:
где Tтр – требуемая несущая способность внешнего усиления; Fрасч – площадь сечения внешнего армирования с одной стороны балки; Арасч – расчетная площадь взаимного перекрытия внешнего армирования и половины сечения балки с одной стороны; Rув – расчетное сопротивление углеволокна на разрыв; Rск,0 – расчетное сопротивление скалыванию клеевого шва.
Для того чтобы балка разрушалась не по нормальным напряжениям в пролете, а по касательным на опоре, подберем соответствующее внешнее армирование опор.
Максимальные нормальные напряжения в древесине растянутой зоны не должны превышать расчетного сопротивления древесины на растяжение:
где kw – коэффициент для расчета составного сечения и принятый равным 0,6.
Расчетный изгибающий момент М:
Момент сопротивления поперечного сечения элемента W:
– нормативное сопротивление чистой древесины изгибу.
Требуемая несущая способность внешнего армирования:
где α – угол между направлением сдвигового усилия и углеволокном, равный 30° из конструктивных соображений.
Площадь сечения внешнего армирования с одной стороны балки:
где Rув= 4000 МПа – расчетное сопротивление углеволокна на разрыв.
Расчетная площадь взаимного перекрытия внешнего армирования и половины сечения балки с одной стороны:
где Rск,0 = 45,6 кг/см2 – нормативное сопротивление скалыванию клеевого шва для чистой древесины.
При проведении расчета было определено, что для усиления образца с размерами поперечного сечения 2х4 см и пролетом 64см требуется один слой углеволокна с каждой стороны сечения с площадью Aтреб = 7,7 см², данное усиление приведет к одновременному разрушению по нормальным и касательным напряжениям. Для гарантированного разрушения по касательным напряжениям уменьшаем площадь армирования на 30 %, тогда площадь углеволокна составит Aтреб = 5,4 см² (рис. 3).
Рис. 3. К определению расчетной площади взаимного перекрытия внешнего армирования и половины сечения балки с одной стороны
Из таблицы видно, что составная балочка, усиленная углеволокном, имеет фактический предел прочности очень близкий к теоретическим значениям предела прочности цельной балки. По мнению авторов, это можно отнести скорее к совпадению, поскольку разрушение в обоих случаях начиналось с разрушения клеевого шва между углеволокном и древесиной.
При этом предложенная методика расчета составной балочки, усиленной углеволокном, дает заниженный результат, что можно считать вполне удовлетворительным на данном этапе, но требующим дальнейшего совершенствования метода расчета.