Усиление конструкций с использованием углепластика

Строения с длительным сроком службы, какими в идеале должны быть большинство гражданских и промышленных зданий и сооружений, не всегда будут отвечать изменившимся требованиям к ее новому назначению. Конструкция с удовлетворительной несущей способностью, эстетичным внешним видом и долговечностью может не соответствовать требованиям к новым функциям. Например, мост может быть слишком узким. Чтобы удовлетворить изменившиеся требования, сооружение может быть модернизирована, что, кроме того, может стать способом увеличения срок службы, долговечность и надежность конструкции.

Строения иногда повреждается в результате несчастных случаев. Скажем мосты Корабли, автомобили или, например, грузовики могут столкнуться с мостами, и конструкция может быть повреждена. Иногда сооружению недостаточно несущей способности для того чтобы перевозить грузы либо из-за неправильной конструкции, либо из-за ошибок при строительстве. Кроме того, причинами ремонта или модернизации могут быть расширение мостов или проблемы, вызванные временной перегрузкой.

В каждом конкретном случае следует определить, является ли более экономичным усиление существующего элемента или ее замена. С учетом экологических и экономических аспектов невозможно заменить все конструкции. Во многих случаях выгодно принять меры по существующему элементу, а не возводить новую. Существующие конструкции имеют предполагаемый срок службы и должны выполнять определенную функцию в течение этого времени.

Проблемы для непосвященного человека модернизация может рассматриваться как небольшое и простое изменение существующей конструкции. Однако усилить существующую конструкцию зачастую сложнее, чем возвести новую. Необходимо учитывать существующие материалы, часто находящиеся в ухудшенном состоянии, нагрузки во время усиления и существующую геометрию. В некоторых случаях также может быть трудно добраться до областей, которые нуждаются в усилении.

Дефекты, возникшие в процессе эксплуатации зданий, а также снижение характеристик материалов, связанное с их старением, и изменившиеся экономические условия требуют особого подхода к модернизации зданий или их реконструкции.

Для оценки технического состояния строительных конструкций, в зависимости от количества дефектов и степени их повреждения, согласно СП «Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений», принята классификация категорий технического состояния, представленная в Таблице 1.

Конструкция исчерпала свою несущую способность, если малое приращение внешней нагрузки способно вызвать непрекращающийся рост деформаций и последующее разрушение.

Таблица 1  - Категории технического состояния строительных конструкций.

Наименование категории	Характеристика категории
Исправное состояние	отсутствие дефектов и повреждений, влияющих на снижение несущей способности и эксплуатационной пригодности
Работоспособное состояние	некоторые из численно оцениваемых контролируемых параметров не отвечают требованиям проекта, норм и стандартов, но имеющиеся нарушения требований, например, по деформативности, а в железобетоне и по трещиностойкости, в данных конкретных условиях эксплуатации не приводят к нарушению работоспособности, и несущая способность конструкций, с учетом влияния имеющихся дефектов и повреждений, обеспечивается
Ограниченно работоспособное	имеются дефекты и повреждения, приведшие к некоторому снижению несущей способности, но

состояние	отсутствует опасность внезапного разрушения и функционирование конструкции возможно при контроле ее состояния, продолжительности и условий эксплуатации
Недопустимое состояние	снижение несущей способности и эксплуатационных характеристик, при котором существует опасность для пребывания людей и сохранности оборудования (необходимо проведение страховочных мероприятий и усиление конструкций)
Аварийное состояние	повреждения и деформации, свидетельствующие об исчерпании несущей способности и опасность обрушения (необходимо проведение срочных противоаварийных мероприятий)

Изгибаемые железобетонные конструкции, в зависимости от вида повреждений и необходимости повышения прочности различных сечений по длине элемента, подвергаются усилению в разных зонах: растянутой, сжатой, опорной.

Не только финансовые и структурные аспекты должны лежать в основе решений об усилении и выборе метода усиления, но также должны учитываться экологические и эстетические аспекты.

Благодаря ряду преимуществ, таких как: малый собственный вес и толщина, высокая способность к линейно - упругому деформированию, стойкость к коррозии, легкость установки, композиционные материалы находят все большее применение в строительстве. Также успех полимеров, армированных волокнами, связан с обеспечением сохранности связи между композитами и основным материалом конструкции в течение всего срока службы конструкции.

Для железобетонной конструкции несколько случайных переменных влияют на несущую способность. Пропускная способность бетона, свойства стальной арматуры, длина внутреннего рычага, способ разрушения и крепления арматуры - все это важные переменные для конструкции, подверженной изгибу. Если та же конструкция усилена с помощью углепластика, связанного снаружи, то могут быть добавлены новые переменные, свойства композита и, например, новые режимы разрушения. С другой стороны, когда конструкция будет усилена, можно провести полевые измерения, которые могут дать более точное описание существующих материалов, размеров и возможных дефектов конструкции. При применении усиления длина внутреннего рычага для композита может быть детерминированной.

Для склеивания пластин сталь в большинстве случаев вытесняется композитами из конкуренции. Углепластик, как обсуждалось, не подвержен коррозии, может иметь любую длину и обладает высоким соотношением жесткости к весу. Хотя весовой аспект не так важен в мостах, как в других отраслях промышленности, снижение веса является преимуществом во время работы на строительной площадке.

Малый вес облегчает обработку материала на стройплощадке и не изменяет частоту первоначальной конструкции. Кроме того, композиты поддаются формованию и могут быть приданы любой желаемой форме.

Склеивание пластин FRP можно разделить на три типа: склеивание ламинированных пластин, склеивание из холстов и армирование вблизи поверхности, NSMR. Склеивание ламинированных пластин подразумевает, что предварительно изготовленный, часто пултрудированный, композитный ламинат приклеивается к поверхности бетонной конструкции.

Метод ручной укладки характеризуется сухими волокнами и матрицей, которые систематически наносятся на поверхность, и в этот момент композит создается и склеивается. Были опыты исследования, можно ли использовать цементирующую смесь в качестве матрицы для ручной укладки, и пришел к выводу, что это имеет большой потенциал, но необходимо ответить на многие вопросы.

Но с развитием технологии изготовления, производство таких композитов в России становится более дешевым. Увеличение срока эксплуатации материалов приводит к снижению стоимости обслуживания и ремонта зданий и сооружений.

Основная сфера применения элементов внешнего армирования из углепластика - усиление железобетонных конструкций. Благодаря этому методу можно повысить жесткость и сейсмостойкость железобетонных каркасов высотных зданий.

Прежде чем усилять конструкцию, необходимо предпринять определенные шаги. Подготовка будет отличаться в зависимости от выбранного типа укрепления, но некоторые этапы являются общими. Если внутренняя арматура подвержена сильной коррозии или если хлориды сильно загрязняют бетон, проржавевшие стержни и бетон следует удалить и заменить, чтобы предотвратить отслоение бетонного покрытия.

На рисунке 1 показано, как мелкие отверстия и полости были заделаны шпаклевкой, а затем отшлифованы.

Рисунок 1: Шлифовка шпаклевки для ремонта повреждения.

Эти два требования вместе подразумевают, что поверхность должна быть обработана пескоструйной обработкой, а иногда и отшлифована, прежде чем можно будет приступить к работам по усилению.

Большинство систем ручной укладки требуют, чтобы бетон был обработан грунтовкой перед склеиванием.

Грунтовка быстро и легко наносится на бетон мягким валиком, см. рис. 2. Грунтовка используется не во всех системах усиления, и всегда следует следовать рекомендациям производителя каждой системы.

Рисунок 2: Нанесение грунтовки на чистую и гладкую бетонную поверхность.

После подготовки можно наносить укрепляющую систему. При ручной укладке холстов работы начинаются с нанесения клея на подготовленную поверхность с помощью валика. Затем волокна укладываются на место. Ролик используется для выпрямления волокон и удаления всех больших пустот. Обычно на волокнах имеется бумажная или пластиковая пленка, облегчающая обработку. В этом случае покрытие снимается перед нанесением другого слоя эпоксидной смолы. В случае, когда требуется много слоев, последние этапы повторяются до тех пор, пока не будет достигнута желаемая толщина.

Склеивание ламинированных плит начинается с заполнения неровностей поверхности шпаклевкой, то есть высоковязкой смолой, используемой для склеивания ламината. Затем на ламинат наносится эпоксидная смола, и ламинат устанавливается на место. Давление на ламинат прикладывается валиком или вручную, чтобы эпоксидная смола была равномерно распределена. Склеивание стеклопластика из холстов показано на рисунке 3, а склеивание ламинированных пластин - на рисунке 4.

Рисунок 3: Расположение рук. Светлый цвет показывает бумагу, которую нужно удалить, Тельстен и Каролин (2002) [12].

Рисунок 4: Склеивание ламината