Многие здания, построенные до введения современных сейсмических норм, имеют общие недостатки: колонны с недостаточным поперечным армированием, короткие нахлесточные соединения, слабые узлы сопряжения балок с колоннами и стены, неспособные воспринимать сдвиг в своей плоскости. При землетрясении эти элементы разрушаются хрупко. Усиление углеродным волокном направлено именно на эти проблемы, добавляя прочность и — что не менее важно — пластичность, способность деформироваться без разрушения.
Обоймы колонн
Наиболее частое сейсмическое применение CFRP — обертывание колонн. Тканевая обойма с волокнами, ориентированными по окружности, создает обжатие бетона. Обжатый бетон способен выдерживать гораздо более высокие деформации до разрушения, что увеличивает как несущую способность, так и, что более критично, способность колонны поглощать энергию при циклических нагрузках. Тонкая углеродная обойма может обеспечить обжатие, сравнимое с тяжелой стальной, при этом практически не увеличивая размеры и не создавая риска коррозии.
Усиление нахлесточных соединений и сдвига
В старых колоннах часто встречаются нахлесточные соединения арматуры, которые слишком коротки и расположены в зоне пластического шарнира. Периферийная обойма обжимает соединение и предотвращает проскальзывание стержней. Такая же обойма обеспечивает усиление на сдвиг, предотвращая диагональные сдвиговые разрушения, которые являются одними из самых опасных при землетрясении из-за их внезапности и малой предсказуемости.
Стены, балки и узлы
Помимо колонн, ткань CFRP усиливает неармированные каменные и бетонные стены на сдвиг в плоскости и из плоскости, укрепляет связевые балки и применяется в детальных схемах вокруг узлов сопряжения балок с колоннами. Поскольку материал тонкий и клееный, его часто можно скрыть под отделкой и наносить при частично эксплуатируемом здании — это большое преимущество по сравнению с устройством обойм или добавлением стен сдвига.
Проектные соображения
Сейсмоусиление основано на характеристиках работы и является сложным. Усиление должно быть совместимо с тем, как реагирует вся конструкция: добавление прочности в неправильном месте может сместить разрушение на более хрупкий механизм, поэтому цель обычно — сбалансированное увеличение прочности и пластичности. Анкеровка FRP критична — обоймы и листы должны быть детализированы так, чтобы они не отслаивались на концах при циклических нагрузках. Соединения, диафрагмы и фундаменты должны быть проверены как часть системы. Эта работа должна выполняться квалифицированным инженером-строителем, следующим действующим сейсмическим нормам и руководствам по FRP, таким как ACI 440.2R.
При правильном выполнении углеродное волокно — один из наиболее эффективных и наименее инвазивных способов привести старую бетонную конструкцию к современным сейсмическим требованиям.