Повышение несущей способности перекрытий промышленных складов с помощью CFRP

Наружно наклеиваемый CFRP — эффективный способ повысить несущую способность плит перекрытий и балок склада на изгиб без потери высоты помещения — реалистично примерно на 40% — но он усиливает именно изгиб, а не продавливание, и норматив намеренно рассматривает его как дополнительную прочность поверх перекрытия, которое должно выдерживать нагрузку и само по себе. В этом руководстве рассказывается, как работает такое усиление, что оно может и не может дать, а также какие проверки не позволяют выдавать желаемое за действительное — всё на основе ACI 440.2R-17 и сопутствующего документа с обязательными формулировками ACI SPEC-440.12-22. Если наклеиваемый FRP — новая для вас тема, начните с материала что такое усиление CFRP.

Почему складским перекрытиям нужна дополнительная несущая способность?

Обычно меняются нагрузки, а не сам бетон. Более высокие стеллажи, более плотное хранение, более тяжёлые погрузчики или новое производственное оборудование поднимают требуемую нагрузку выше того, на что были рассчитаны плита и балки. Норматив прямо учитывает такой случай: когда длительная временная нагрузка превышает 150 lb/ft² (около 7.2 kPa) — тяжёлые склады, книгохранилища — коэффициент временной нагрузки в проверке безопасности ужесточается с 0.75 до 1.0 (ACI 440.2R, уравнение 9.2). CFRP привлекателен именно здесь, потому что он толщиной в миллиметры: он добавляет несущую способность, не уменьшая высоту в свету, не требуя долгого перекрытия проходов и не создавая неудобств, связанных с заливкой новой стяжки или добавлением стальных элементов.

Как CFRP повышает несущую способность перекрытия — и насколько, реалистично?

Пластина или ткань CFRP, приклеенная к растянутой грани, воспринимает часть изгибающего момента, поэтому расчётное условие φMn ≥ Mu выполняется с учётом вклада FRP, уменьшенного коэффициентом снижения прочности ψf = 0.85. На неразрезном перекрытии это означает CFRP на софите в середине пролёта (пролётный момент) и на верхней поверхности над опорами (опорный момент). Реалистично оценивайте прирост: лабораторные испытания показывают увеличение момента на 10–160%, но после применения ограничения по деформации отслоения и ψf практически достижимый диапазон составляет около 40%. Для работ по верхней поверхности полосы, устанавливаемые в пропилы у самой поверхности (near-surface-mounted, NSM), обеспечивают более высокую допустимую деформацию (εfd = 0.7εfu), чем наружно наклеиваемые системы, поскольку заглубление в бетон сопротивляется отслоению.

Чего CFRP не может сделать для перекрытия склада?

Самое важное ограничение: CFRP не устраняет продавливание. ACI 440.2R охватывает изгиб, срез по одному направлению (балочный), осевое обжатие и сейсмику — нигде в руководстве по наружно наклеиваемым системам нет метода расчёта на срез по двум направлениям. Поэтому если дефект — это продавливание вокруг опорной плиты стойки стеллажа или оголовка колонны безбалочного перекрытия, наклеиваемый CFRP не является документированным решением; решением служат стад-шпонки на срез, капители или уширения плиты, а они выходят за рамки применения CFRP. Также в базе знаний нет метода CFRP для истинного двухосного изгиба плиты — плиты рассчитываются как полосы единичной ширины, по аналогии с балкой.

Что произойдёт, если CFRP будет повреждён или выгорит?

По замыслу норматива перекрытие должно выстоять и без CFRP. Ограничение усиления по ACI 440.2R (уравнение 9.2) требует, чтобы существующий, неусиленный элемент самостоятельно нёс 1.1×постоянная + 0.75×временная (или 1.0×временная для тяжёлого длительного складского хранения свыше 150 lb/ft²). Пожар по умолчанию рассматривается как полная утрата FRP, если не доказано иное, с проверкой по сниженной нагрузке как запасным вариантом. Другими словами, CFRP — это дополнительная несущая способность, наложенная на конструкцию, рассчитанную выжить и без него — использовать его как костыль, при отказе которого перекрытие рухнет, не допускается. Это и есть законодательно закреплённый запас безопасности, и именно поэтому честный расчёт усиления CFRP всегда начинается с проверки того, что голая конструкция по-прежнему удовлетворяет уравнению 9.2.

Приведут ли постоянные нагрузки от погрузчиков и стеллажей к отслоению CFRP со временем?

Расчётная методика уже это учитывает. При сочетании длительного и циклического напряжения — погрузчики, вибрирующее оборудование, постоянно нагруженные стеллажи — напряжение в CFRP ограничивается величиной 0.55 ffu (ACI 440.2R, таблица 10.2.9), что значительно ниже деформации, используемой при разовой проверке на предельное состояние, специально для предотвращения ползучести до разрушения и усталости. Углеродное волокно к тому же — правильный выбор для постоянной нагрузки: его 50-летний коэффициент длительной прочности составляет около 0.90, против примерно 0.30 у стекловолокна. А поскольку внутренняя среда склада — мягкая эксплуатационная среда, углеволокно получает свой лучший коэффициент условий эксплуатации, CE = 0.95 (таблица 9.4). Одна оговорка: держите FRP ниже температурного предела — рабочая температура должна оставаться ≤ Tg − 15°C, при этом Tg эпоксидной смолы обычно составляет 60–82°C, поэтому тепло от печей, топок или компрессоров нужно проверять.

Может ли склад продолжать работать во время усиления?

В основном да, и выбор материала здесь определяющий. Предварительно отверждённая пластина CFRP, приклеиваемая структурным клеем для пластин, обеспечивает монтаж с минимальным простоем — здесь нет паузы на высыхание при мокрой укладке. Углеродная ткань мокрой укладки с пропиточной эпоксидной смолой более универсальна для обёртывания колонн или элементов сложной формы, но требует полного отверждения около 7 дней при 20°C, прежде чем можно снова прикладывать нагрузку, — поэтому это окно нужно планировать вокруг закрытия проходов или остановки производства. В любом случае подготовка основания и контроль качества (ниже) обязательны. Подробнее о выборе между пластиной и тканью см. пластина против ткани; о том, как соединение фактически передаёт нагрузку — механика передачи нагрузки.

Что должно быть выполнено до начала приклеивания?

Качество основания определяет все приведённые выше показатели. Прочность бетона на отрыв (растяжение) должна составлять ≥1.4 MPa (200 psi) с разрушением внутри бетона (ASTM C1583; ACI 440.2R, п. 1.2.1.4); технические паспорта FidStrong задают более жёсткий порог ≥1.5 MPa. Трещины шире 0.3 mm должны быть предварительно инъецированы эпоксидным составом (п. 6.4.1). После монтажа ACI SPEC-440.12-22 требует полевых испытаний на отрыв >200 psi и разрушения в толще бетонного основания (ASTM D7522, Mode G), по 3 испытания на каждые 1,000 ft² и не менее 3 в день. Пропустите подготовку — и отслоение произойдёт в основании независимо от качества волокна или клея — см. подготовку поверхности для оптимального сцепления. Обратите внимание, что химические анкеры для опорных плит стеллажей — это дополняющая деталь, а не решение проблемы продавливания.

FAQ

Насколько реально CFRP может увеличить нагрузку, которую способны нести наша плита или балка?

Примерно на 40% по изгибу после применения нормативных ограничений. Лабораторные испытания показывают прирост момента на 10–160%, но после применения ограничения по деформации отслоения ACI 440.2R и коэффициента снижения прочности FRP 0.85 практически достижимый диапазон составляет около 40%. Не закладывайте в проект лабораторные максимальные показатели.

Может ли CFRP устранить продавливание вокруг наших стоек стеллажей или оголовков колонн?

Нет. Руководство по наружно наклеиваемому CFRP (ACI 440.2R) охватывает изгиб, срез по одному направлению, обжатие и сейсмику — в нём нет метода расчёта на продавливание (срез по двум направлениям). Если дефект — продавливание, наклеиваемый CFRP (EBR) не является документированным решением; решением служат стад-шпонки, капители или уширения плиты.

Если CFRP повреждён, обрушится ли наше перекрытие?

Нет. Ограничение усиления по ACI 440.2R (уравнение 9.2) требует, чтобы голая, неусиленная конструкция самостоятельно несла 1.1×постоянная + 0.75×временная (1.0×временная для тяжёлого хранения свыше 150 lb/ft²). CFRP — это дополнительная несущая способность на перекрытии, рассчитанном выстоять и без него.

Приведёт ли вибрация от погрузчиков и стеллажей к отслоению CFRP со временем?

Расчёт это учитывает: при сочетании длительного и циклического напряжения CFRP ограничен величиной 0.55 ffu (таблица 10.2.9), что значительно ниже деформации в проверке на предельное состояние, а 50-летний коэффициент длительной прочности углеволокна (~0.90) — лучший среди всех волокон FRP для постоянно нагруженных перекрытий.

Можем ли мы продолжать работу во время усиления?

В основном да, при использовании предварительно отверждённой пластины CFRP, монтаж которой ведётся с минимальным простоем. Углеродная ткань мокрой укладки более универсальна для колонн и элементов сложной формы, но требует полного 7-дневного отверждения при 20°C перед повторным нагружением — спланируйте это вокруг закрытия проходов.

Помогает ли расположение склада внутри помещения продлить срок службы CFRP?

Да. Внутри помещений углеволокно получает свой лучший коэффициент условий эксплуатации, CE = 0.95 (таблица 9.4), против 0.85 снаружи. Просто следите, чтобы рабочая температура оставалась ≤ Tg − 15°C (Tg эпоксидной смолы обычно 60–82°C) вблизи источников тепла.

FidStrong производит пластину CFRP серии FSL и углеродную ткань серии FSC вместе с подобранными пропиточными эпоксидными смолами и клеями для пластин для усиления перекрытий, в рамках систем ISO 9001, 14001 и 45001. Приведённые здесь расчётные значения соответствуют ACI 440.2R-17 и ACI SPEC-440.12-22; CFRP повышает несущую способность на изгиб, а не устраняет продавливание. Проверяйте определяющий вид разрушения и каждое значение по нормативу и расчёту квалифицированного инженера.