Усиление старых стен в Калифорнии: фиброармированный полимер и шоткрет

Содержание

1. Введение
2. Проблема сейсмической устойчивости старых зданий в Калифорнии
3. Основные виды повреждений стен из железобетона
4. Исследование существующих типов стен в регионе Калифорнии
5. Ретрофит зданий: фиброармированный полимер и шоткрет
6. Численное моделирование для валидации результатов
7. Анализ результатов испытаний и ретрофита
8. Будущая работа: испытания с применением шоткрета
9. Заключение

Введение

В данной статье мы рассмотрим экспериментальное усиление стены из железобетона. В основе исследования лежит проблема сейсмической устойчивости старых зданий на побережье Калифорнии, построенных до 1970-х годов. Эти здания не соответствуют современным сейсмическим нормам и при сильных землетрясениях могут разрушиться, создавая угрозу для людей. Наша цель - разработать способы ретрофита, чтобы улучшить безопасность этих зданий.

Проблема сейсмической устойчивости старых зданий в Калифорнии

В Калифорнии существует множество зданий, построенных до 1970-х годов, которые не соответствуют современным сейсмическим стандартам. Это означает, что при сильном землетрясении они подвержены опасности упасть. Усовершенствование этих старых зданий является более дешевым, эффективным с точки зрения затрат и экологически безопасным, чем строительство новых зданий.

Основные виды повреждений стен из железобетона

Стены из железобетона подвержены различным видам повреждений во время землетрясений. Это включает:

1. Диагональные разрушения, вызванные растяжением и сжатием по диагонали стены.
2. Гибкие разрушения, вызванные изгибом стены.
3. Разрушение сварных соединений арматуры.
4. Сдвиговое разрушение, вызванное сдвигом стены.

Цель нашего исследования - изучить типичные виды повреждений, которые могут возникнуть во время землетрясения у таких неупругих стен.

Исследование существующих типов стен в регионе Калифорнии

Для проведения исследования мы рассмотрели несколько разных типов стен из железобетона, которые часто встречаются в Калифорнии.

Пилястры или брусковые секции

Первый тип стен, который мы изучили, называется пилястрами или брусковыми секциями. Они имеют большие участки железобетона на концах, похожие на большие I-образные сечения. Важно отметить, что в этих секциях основной укладкой является очень легкая арматура - всего 0,2%. В то же время колонны имеют намного более высокую плотность арматуры - 3,5% и более.

Прямоугольные стены

Также мы рассмотрели прямоугольные стены с швами на стыках, так как швы на стыках являются очень распространенным явлением в стенах из железобетона.

Типичные свойства материалов

Важно отметить, что в то время материалы имели намного более низкую прочность по сравнению с современными стандартами. Прочность железобетона составляла всего 3-4 тысячи фунтов на квадратный дюйм, а прочность стали составляла всего 40 тысяч фунтов на квадратный дюйм. Учтя все эти особенности, мы разработали образец, полностью соответствующий существующим зданиям в Калифорнии.

Ретрофит зданий: фиброармированный полимер и шоткрет

Для ретрофита нашего образца мы рассмотрели два различных подхода: применение фиброармированного полимера (ФАП) и применение шоткрета.

Фиброармированный полимер (ФАП)

Фиброармированный полимер - это материал, состоящий из слоев углеродных волокон и смолы. Мы использовали ФАП, предоставленный компанией Simpson Strong-Tie, чтобы усилить наш образец. Волокна были закреплены в пилястрах на глубину около 6 дюймов и смежены между двумя листами ФАП, расположенными горизонтально. Это позволило значительно улучшить прочность стены.

Шоткрет

Шоткрет - это особый вид бетона, который наносится на поверхность стены путем распыления. Шоткрет может использоваться для усиления структуры, а также для закрытия трещин и повреждений. Мы также рассматриваем применение шоткрета в нашем исследовании как один из возможных способов ретрофита.

Численное моделирование для валидации результатов

Для валидации наших результатов мы используем численное моделирование. Мы применяем нелинейную модель балки-шпинделя, которая позволяет учесть нелинейные эффекты и предсказать типичные режимы повреждения стен. Мы также включаем оболочечные элементы для моделирования ФАП и проклеиваемые элементы, чтобы учесть разделение ФАП. Наше численное моделирование хорошо согласуется с результатами экспериментов.

Анализ результатов испытаний и ретрофита

Проведенные испытания показали, что неретрофированный образец имел небольшое увеличение прочности, но его хрупкий и неупругий режим повреждения не соответствует современным требованиям. С другой стороны, ретрофицированный образец с ФАП показал значительное улучшение гибкости и деформационных характеристик. Хотя прочность осталась примерно на том же уровне, деформационные характеристики стали гораздо более ductile. Это свидетельствует о том, что ретрофит с применением ФАП является эффективным способом улучшения сейсмической устойчивости старых стен из железобетона.

Будущая работа: испытания с применением шоткрета

В будущих исследованиях мы планируем провести испытания с использованием шоткрета. Мы намерены проверить эффективность этого метода ретрофита и сравнить его с результатами ретрофита с ФАП. Возможно, шоткрет будет более дешевым и удобным вариантом для ретрофита старых зданий.

Заключение

Наше исследование показало, что ретрофит стен из железобетона является важным шагом в улучшении сейсмической устойчивости старых зданий в Калифорнии. Фиброармированный полимер и шоткрет являются эффективными методами для достижения этой цели. Важно продолжать исследования и обобщение результатов, чтобы определить оптимальные методы ретрофита для различных типов стен и ситуаций.