2310_04.,Projektowan..

PROJEKT WZMOCNIENIA MOSTU
Projektowanie wzmocnienia ustrojów niosących
1. Podstawy wzmacniania konstrukcji
Każda konstrukcja przed wzmocnieniem wymaga dokładnej oceny stanu technicznego. W ramach
tej oceny konieczne jest dokonanie określenia aktualnych cech materiałów konstrukcyjnych,
zlokalizowania i identyfikacji wszystkich uszkodzeń obiektu. Na tej podstawie należy ustalić wartości
sił wewnętrznych, panujących w konstrukcji przed wzmocnieniem oraz rzeczywistą, aktualną nośność
konstrukcji. Znając przyszłe wymagania eksploatacyjne obliczamy wartości sił wewnętrznych
(momenty zginające i siły poprzeczne), które przekraczają nośność obiektu i które z odpowiednim
zapasem bezpieczeństwa muszą być przeniesione przez wzmocnioną konstrukcję.
Rys. 1. Schemat blokowy projektu wzmocnienia konstrukcji
Wiedząc na jakie siły należy wzmocnić konstrukcję, należy dobrać odpowiedni system
wzmocnienia i materiały kompozytowe. Strefy rozciągane możemy wzmocnić taśmami CFRP,
obszary o przekroczonych naprężeniach głównych matami lub kształtkami, w tych elementach, gdzie
występują małe odkształcenia i duże siły można zastosować kompozyty węglowe, zaś tam gdzie
mamy do czynienia z dużymi odkształceniami, lepsze będą kompozyty szklane lub aramidowe. Po
dobraniu odpowiedniego wzmocnienia sprawdzamy stan graniczny nośności i stan graniczny
użytkowalności konstrukcji wzmocnionej. Na rys. 1 przedstawiono schemat blokowy projektu
wzmocnienia konstrukcji.
Mgr inż. Krzysztof Śledziewski ([email protected])
1
PROJEKT WZMOCNIENIA MOSTU
2. Zginane elementy betonowe
W budownictwie mostowym za pomocą taśm kompozytowych FRP przyklejanych do stref
rozciąganych mogą być wzmacniane zginane elementy konstrukcyjne, takie jak belki, płyty, słupy itp.
Kierunek włókien musi być równoległy do naprężeń rozciągających. Metoda obliczeń odnosi się do
stanu granicznego nośności oraz stanu granicznego użytkowalności.
Przy projektowaniu wzmocnienia elementu zginanego zakłada się w stanie granicznym nośności
pełną współpracę istniejącego zbrojenia z przyklejonym kompozytem. Dla określenia odkształceń
panujących w zbrojeniu istniejącym w fazie przyklejania kompozytów można przyjąć, że przekrój
żelbetowy (niewzmocniony) pracuje w stanie granicznym zarysowania. W ten sposób określa się
punkt czasowy, w którym zaczyna się współpraca zbrojenia istniejącego z przyklejanym. Dla tych
konstrukcji, w których nie dopuszcza się zarysowania, np. dla ustrojów z betonu sprężonego (przy
pełnym sprężeniu), należy przyjmować rzeczywisty stan konstrukcji, tj. I fazę pracy betonu.
W każdym przypadku konieczne jest znalezienie odkształcenia początkowego εo , które powstaje
w momencie, gdy do współpracy zostaje włączone wzmocnienie w postaci doklejonego elementu.
Odkształcenie to jest wywołane działaniem momentu (początkowego) zginającego Mo, działającego na
przekrój poprzeczny w fazie wzmacniania (np. wywołanego ciężarem własnym konstrukcji, częścią
obciążeń stałych itp.). Oblicza się je z równowagi sił wewnętrznych w przekroju.
3. Procedura projektowania
3.1. Krok I
Dane:
Taśma – fLU, EL, AL, εL, kL
Stal - fsy, Es, As, εg, ks
Beton – fc, εcu,
Przekrój b, d, h
Rys. 2. Przekrój poprzeczny wzmacnianej konstrukcji
Mgr inż. Krzysztof Śledziewski ([email protected])
2
PROJEKT WZMOCNIENIA MOSTU
3.2. Krok II
Określenie odkształceń (Kryterium zniszczenia: zniszczenie taśmy i uplastycznienie stali przed
zniszczeniem betonu):
kL f Lu
EL
 L  kL Lu 
 sy   s,max 
s
ks
 g
 c   cu
3.3. Krok III
W celu uproszczenia obliczeń, można zastąpić krzywoliniowy rozkład naprężeń w strefie ściskanej
betonu rozkładem prostokątnym o szerokości k1fc, z położeniem środka ciężkości w odległości k2x
(licząc od skrajnych włókien ściskanych betonu).
Rys. 3. Rozkład odkształceń i sił wewnętrznych oraz współczynniki ki
Współczynniki k1 i k2 są uzależnione od maksymalnego odkształcenia betonu ściskanego εc:
dla  c  2‰
1000
(500 c2  3 c )
6
750 c  4
k2  1 
2(500 c  3)
k1  
 c  1000 c (250 c  1) f c
dla 2‰   c   c  3.5‰
k1  1 
1
1500 c
k2  1 
0.5  (3 106  c2 )1
1  (1500 c )1
 c  fc
Mgr inż. Krzysztof Śledziewski ([email protected])
3
PROJEKT WZMOCNIENIA MOSTU
Z równowagi sił w przekroju (rys. 3) uzyskujemy:

siła przenoszona przez beton ściskany
Dc  k1bxf c 
siła w rozciąganym zbrojeniu stalowym
Z s   s As  fsy As 
siła w doklejonym kompozycie
Z L   L AL  f Lu AL 3.4. Krok IV
Określenie położenia osi x z równowagi sił w przekroju (rys. 3):
Z s  Z L  Dc  0
fsy As  f Lu AL  k1bxf c  0
W drodze iteracji znajdujemy x.
3.5. Krok V
Sprawdzenie odkształceń:
 L x
  co
(h  x)

w betonie
c 

w stali
s  L

w kompozycie
 L  kL L,max
(d  x)
  so
hx
Jeżeli nie OK => nowe założenia
Jeżeli OK => nośność przekroju:
M R  (d  k2 x) Z s  (h  k2 x)ZL
Stopień wzmocnienia:
B 
MR
M0
gdzie:
MR – obliczeniowa wartość momentu niszczącego przekroju wzmocnionego,
M0 – obliczeniowa wartość momentu niszczącego przekroju nie wzmocnionego.
Należy spełnić warunek:
B  2
Źródło:
Marek Łagoda (2012): Wzmacnianie konstrukcji mostowych kompozytami polimerowymi. PAN, Warszawa.
Mgr inż. Krzysztof Śledziewski ([email protected])
4