Современные материалы и технологии ремонта и усиления железобетонных конструкций промышленных зданий

С появлением высокопрочного искусственного углеродного волокна (углеволокна) появились современные методы и технологии, позволяющие восстанавливать и увеличивать несущую способность каркаса здания. С их помощью можно в короткие сроки и с минимальными трудозатратами (отсутствие необходимости привлечения тяжелой техники) значительно увеличить срок службы строительных конструкций зданий и сооружений.

Усиление строительных конструкций композитными материалами является на сегодняшний день самым «бережным»  методом восстановления и повышения эксплуатационных характеристик строительных конструкций. Вместе с тем в отечественной научнотехнической литературе до настоящего времени отмечается лишь незначительное количество обобщающих публикаций по этому типу усиления.

До настоящего времени, для восстановления несущей способности сжатых железобетонных элементов использовали методы, основанные на увеличении их поперечного сечения с помощью железобетонной рубашки или металлической обоймы. Эти методы имеют ряд существенных недостатков: - большая трудоемкость;

• -    изменение габаритов усиливаемой конструкции;

• -    необходимость выполнения мероприятий по защите от агрессивного воздействия внешней среды;

• -    производство работ с применением большого количества оборудования - кранового, сварочного и пр.

Методы усиления конструкций можно разделить на две основные группы:

• 1)    Активные методы:

• •    Перераспределение сил в поперечном направлении - например, путем догружения средних балок и разгрузки крайних в многобалочной системе.

• •    Монтаж добавочных усиливающих элементов - например, добавочных несущих стальных уголков.

• •    Уменьшение удельного веса конструкции - например, путем замены бетонных элементов стальными.

• •    Обжатие конструкции - обычно внешними канатами.

• 2)    Пассивные методы:

• •    Увеличение поперечного сечения элементов конструкции путем добавления армирования и бетонирования.

• ·    Наклеивание и/или механический монтаж стальных полос или листового металла.

• ·    Наклеивание композитных лент и композитных панелей.

Однако сегодня существует более эффективный и надёжный метод – усиление углеволокном. Он основан на ограничении поперечного деформирования элемента. Волокна углепластика наклеиваются перпендикулярно к оси колонны. Прочность композитов на растяжение как минимум в 6 раз выше, чем у классической стальной арматуры, а это значит, что материал выдерживает колоссальные нагрузки без разрушения. Кроме того, усиленные углепластиком сжатые элементы отлично воспринимают не только центральную нагрузку, но и изгибающий момент – для этого необходимо установить армирующие углеродные холсты вдоль плоскости действия момента.

Как итог – усиление колонн углепластиком с успехом решает практически все задачи, связанные с усилением сжатых элементов

Пожалуй, единственным минусом в использовании метода укрепления углеволокном является относительно высокая стоимость материалов. Однако с учётом сокращения временных издержек на проведение работ, материальных издержек на персонал и экстремальной усталостной прочности – фактор цены перестаёт быть значимым.

Самыми современными методами, успешно применяемыми на практике в России и за рубежом, являются: применение внешнего обжатия напряженной арматурой и наклеивание композитных лент и композитных панелей. Этот пассивный метод — усиление композиционными материалами — является бесспорным инновационным достижением в области строительных технологий, работая в течение двух десятилетий по всему миру.

Достоинства данной системы внешнего армирования композитными материалами:

• -    высокая предельная прочность углеволокна на разрыв;

• -    отсутствие коррозии;

• -    высокий предел выносливости;

• -    минимальные нагрузки на восстанавливаемые конструкции;

• -    быстрота и легкость монтажа элементов усиления;

• -    сохранение эстетического облика усиливаемых  элементов

конструкций.

Технически и технологически данный метод эффективнее традиционных способов усиления с помощью, например, стальных обойм. Для обеспечения расчетной совместной работы стальной обоймы с усиливаемым элементом требуется включить элементы обоймы в работу, что достигается путем создания в обойме усилий преднапряжения с помощью нагрева хомутов и применения расширяющихся растворов. Обоймы из углехолста или ламелей включаются в работу усиливаемого элемента просто во время его монтажа через клеевой слой. Данный способ позволяет сразу включать элементы усиления в работу, не нарушая при этом целостности конструкций, исключить огневые работы, а также значительно увеличить сопротивление конструкций ударным и динамическим нагрузкам.

Кроме того, углеродные волокна в 10 раз прочнее и в 5 раз легче стали.

Важным качеством композиционных материалов, имеющим существенное значение при выборе системы усиления железобетонной конструкции, является их упругое деформирование, вплоть до разрушения:  они не обладают пластическими свойствами, и их разрушение носит хрупкий характер. В силу этого при проектировании усиления железобетонных элементов композиционными материалами необходимо накладывать ограничения на величину упругих деформаций бетона и стали, работающих совместно с композиционным материалом. Также необходимо иметь в виду, что упругий характер деформирования композиционного материала не способствует перераспределению напряжений в усиливаемой конструкции.

Наиболее распространенное решение при усилении железобетонных конструкций с применением углеволокна — расположение элемента внешнего армирования со стороны наиболее растянутого волокна в пролетной зоне изгибаемых конструкций, хотя имеется успешный опыт усиления сжатой зоны. В зоне действия пролетных моментов могут устанавливаться как ленты, так и холсты. В последнее время имеет место тенденция широкого распространения холстов. Это связано с их более высокими механическими характеристиками, простотой монтажа и надежностью анкеровки.

Важной областью применения элементов внешнего армирования является усиление приопорных участков в зоне действия поперечных сил. В этих зонах, как правило, располагают углехолсты вдоль линии главных растягивающих напряжений. Их можно наклеивать в несколько слоев и формировать любые сечения, необходимые по расчету.

Применение элементов внешнего армирования для усиления сжатых, внецентренно сжатых железобетонных элементов типа колонн, пилонов, простенков производится двумя способами. Во-первых, для усиления «коротких» элементов (с соотношением высоты к габариту поперечного сечения не более 10) эффективно устройство бандажей из углехолста, создающих «эффект обоймы» по типу косвенного армирования. Во-вторых, установка углехолста вдоль сжатого элемента является дополнительной рабочей арматурой.

При растяжении ФАП имеют линейную зависимость между напряжениями и деформациями вплоть до разрушения. Свойства ФАП в основном определяются типом, ориентацией и количеством армирующих волокон. Механические свойства всех систем ФАП независимо от их вида должны определяться по результатам испытаний образцов слоистого материала с оценкой объемного содержания волокон, которое должно составлять не менее 60%. Механические характеристики многослойных пластиков определяются путем испытания образцов с соответствующим количеством слоев ткани (ленты) в соответствии с ГОСТ 25.601-80. Основные физико-механические характеристики ФАП и тканей (по данным производителей) приведены в Руководство [6] в Приложениях 5, 6, 7.

Концепция расчета

• • Усилия сжатия в элементе вызывают возникновение растягивающих напряжений на поверхности бетона;

• • Арматурные стержни под действием сжимающих усилий выгибаются, что приводит к выкалыванию бетона защитного слоя;

•Искривление арматурных стержней приводит к снижению объема обжатого бетона и уменьшает эффективное сечение элемента.

Рис. 1. Усилия сжатия в колонне

Рис. 2. Усиление сжатого элемента (колонны)

э         36^1-//)

• •    ka – коэффициент эффективности обоймы, принимаемый ka=1,0 для колонн круглого сечения. Для колонн прямоугольного сечения определяется по формуле (1). Следует учитывать, что для прямоугольных сечений с соотношением высоты к ширине, превышающим 1,5, или размерами поперечного сечения b или h, превышающими 900 мм, ограничивающим воздействием обоймы ФАП следует пренебрегать, если испытания не покажут ее эффективность;

• •    допускаемые предельные напряжения в обойме определяются по формуле (2);

• •    Расчетное сопротивление бетона колонны, усиленной сплошной обоймой по высоте, определяется по формуле (3);

• •    В случае использования отдельных обойм, расчетное сопротивление бетона определяется умножением величины, на коэффициент ke, вычисляемый графическим способом.

Рис. 3. Активные зоны при усилении прямоугольных сечений колонн

Техническое решение

• • Сжимающие нагрузки воспринимает только сердечник бетона, весь бетон, получивший повреждения выключается из работы;

• • Бандажи из углеволокна направлены на восприятие растягивающих усилий за счет обжатия бетона и предотвращают образование продольных трещин в элементе;

• • Для внецентренно сжатых элементов применяются продольные ленты на ребрах и гранях элемента и предотвращают образование поперечных трещин.

  w

  
  
  

  Рис.4. Схема усиления колонн

  
  

России были выполнены исследования, направленные на изучение, усиленных полимерными композиционными материалами, центрально и внецентренно сжатых железобетонных колонн.

России введен в действие ряд нормативных документов по усилению железобетонных конструкций полимерными композиционными материалами [6, 9]. Приведенные документы содержат исчерпывающую информацию о расчете изгибаемых и сжатых железобетонных элементов усиленных ПКМ. Более подробные методики расчета сжатых элементов, усиленных ПКМ, приведены в документах, предназначенных для расчета конструкций не подверженных динамическим воздействиям [6, 9].