Способы усиления железобетонных конструкций

Способы

Если вовремя принять необходимые меры, то можно остановить процесс разрушения кирпичной стены и полностью восстановить функциональность кладки.

Основные причины, по которым начинают деформироваться кирпичные стены:

• конструктивные ошибки, допущенные во время строительства здания: недостаточная глубина фундамента, неправильный расчет перекрытий, когда несущая способность стен не соответствует оказываемой на них нагрузке;
• неправильная эксплуатация здания;
• использование некачественных материалов и неправильных пропорций раствора;
• ошибки, допущенные на стадии проектирования.
• неправильное утепление кирпичной стены

Современные строительные технологии позволяют усиливать кирпичные стены, помещая их в такие обоймы:

1. армированная;
2. композиционная;
3. металлическая;
4. железобетонная.

Чтобы снять усилие, которое разрушает стену, надо учитывать все факторы: марку бетона и раствора, состояние кладки, нагрузку, которая оказывается на стену, процент ее армирования.

Чем больше будет армированных хомутов, тем выше станет прочность кирпичной стены. Если в кирпичной кладке есть трещины, то после ее усиления при помощи обойм, полностью восстанавливается несущая способность стены.

Чтобы оценить размер повреждений, необходимо тщательно очистить трещины от грязи и остатков раствора, после чего промыть водой. Если этого не сделать, а сразу их заделать, то через некоторое время кладка снова начнет разрушаться.

Чтобы добиться максимального результата, надо не только усиливать кирпичную кладку при помощи обойм, но и выполнить инъектирование трещин растворами, которые имеют достаточную вязкость и морозостойкость, а также незначительное водоотделение и усадку, высокую прочность на сжатие и сцепление с поверхностью стены.

Почему возникает деформация фундамента?

1. Низкое качество строительных материалов;
2. Древесина ростверков разложилась, образовались минеральные кислоты, которые разрушили цемент;
3. Нет кладочного раствора или он использовался в минимальных количествах;
4. Появились трещины в основании;
5. Неравномерное расположение бетонных блоков, особенно в железобетонном фундаменте со сборными конструкциями.

Усиление наружных фундаментов.

Укрепление фундамента частного дома

• Защита от выветривания. Такая защита делается на промышленных и административных зданиях, когда возникает выветривание строительных материалов из состава основания. Выветривание возникает в кирпичных и бутовых кладках ленточного или колонного колонного типа, т.к. они отличаются низкой прочностью и водостойкостью. Сначала проводится выравнивание внешней поверхности основания по металлической сетке, затем цементным раствором тщательно затягиваются проблемные зоны. В случае, когда фундамент обветрен по всей площади, штукатурится вся поверхность, дополнительно используются гидроизоляционные материалы и полистирол для дополнительной теплоизоляции поверхности.
• Деформация подошвы основания. Возникает через воздействие грунтовых агрессивных вод, а поэтому без цементирования тут не обойтись. Визуальный результат воздействия грунтовых вод можно увидеть, раскопав фундамент. Для цементирования делается прочный несущий ростверк, желательно из стали или дуба. Затем создаются несколько основных скважин, в которые заливается бетон. Если подавать бетон под давлением, тогда он выдавливает легкие фракции из бетонного основания и замещает их. Через несколько дней новый бетон застывает и кристаллизируется вместе со старым бетоном.
• Усиление железобетонных столбов. Железобетонные столбы могут деформироваться через неправильную технологию монтажа и заливки. Ведь столбы внутри залиты бетоном и защищены армированием. Но армирование столбов приходится выполнять только извне, т.к. несущие конструкции залиты бетоном. Поэтому для усиления железобетонных фундаментов делается внешнее армирование по столбам на высоте минимум 20 см от уровня почвы, все секции прутов соединяются между собой. Также можно соединить пруты столбов под полом здания, если конструкция штыревая.
• Поставить дополнительные сваи, за счет них поднять и закрепить бетонное основание. Выполнить такую работу несложно, но тут нужно использовать подробные геодезические и строительные расчеты, ведь сваи делаются с бетона и имеют большую массу. Существует целая технология монтажа свай. На данный момент она считается самой прогрессивной и оптимальной для усиления практически всех типов фундаментов.

Монтаж свай

Это прогрессивный и надежный способ укрепления любого типа фундамента. Он основан на технологии устранения воздействия почвы непосредственно на само основание и перенос всей массы на вмонтированные сваи. Если во время анализа почвы обнаружен достаточно плотный грунт, тогда установка свай считается оптимальной.

Не стоит думать, что бетонные сваи – это обычные сваи с наполнением. Они отличаются структурой, наполнением, тут используется специальная буровая установка и буроинъекционные сваи. Особенность технологии в том, что можно усилить фундамент частного дома даже в труднодоступных местах, причем качество работ от этого не пострадает.

Применения армированной обоймы

Для того чтобы усилить стены и не допустить появления новых разрушений, можно выполнить армирование стен. Сделать это можно при помощи арматурных каркасов, металлических стержней или арматурной сетки.

Наиболее простым вариантом является проведение армирования при помощи арматурной сетки, в этом случае, порядок проведения работ будет следующим:

• фиксировать арматурную сетки на стене можно как с одной ее стороны, так и с обеих;
• перед этим необходимо просверлить отверстия;
• для крепления сетки используются сквозные шпильки или сделать это можно при помощи анкерных болтов;
• после крепления сетки, на нее наносят бетонный раствор, марка которого не должна быть ниже М 100;
• толщина слоя раствора обычно в пределах 20-40 мм;
• по высоте углов крепят вспомогательные металлические стержни диаметром 6 мм, от края отступают 25-30 см;
• если сетка устанавливается только с одной стороны, то используются шпильки или анкера диаметром 8 мм с шагом 60-75 см;
• если арматурная сетка крепится с обеих сторон стены, то диаметр шпилек не менее 12 мм и их шаг 100-120 см;
• к анкерам или шпилькам арматурная сетка крепится при помощи сварки или вязальной проволоки.

Ремонт и восстановление торкретированием

Мероприятия по ремонту и восстановление характеристик бетонных и ж/б стен реализуются несколькими типами обработки и с применением различных составов. По сравнению с традиционным торкрет бетон характеризуется высокой механической прочностью. Материал морозостоек, водонепроницаем, работает на высокую адгезию с обрабатываемой поверхностью.

Технология позволяет восстановить и усилить бетонные или ж/б конструкции, которые могли бы отправиться под снос. Дальнейшая эксплуатация осуществляется без потери условий безопасности. Кроме того, торкрет-бетон прекрасно держится на стенах, не требует монтажа опалубки. Доставка к рабочему участку осуществляется за счет гибкого трубопровода, что экономит трудозатраты и время.

Подготовка. Стена обрабатывается до получения структурно прочного бетона. Проводится обеспыливание и насыщение водой. Сколы счищают до прочного бетона. Проводится очистка арматуры от коррозии. После устранения загрязнений и просушки поверхности, конструкцию обеспыливают сжатым воздухом или при помощи ветоши. Если выявлены коррозийные повреждения арматуры используют антикоррозионные составы (мигрирующие ингибиторы коррозии).

Нанесение материалов и торкрет-бетон. Торкретирование реализуется при помощи профессиональных установок, с применением специальных марок бетона. Работы по ремонту стен осуществляются посредством нанесения материалов под давлением воздуха на поверхность. Может потребоваться от одного до нескольких слоев бетона или ремонтного раствора. Применяется традиционная арматура, стальные или полимерные фибры.

Уход. В течение 1-3 суток обработанные стены увлажняются водой. Если торкретирование проводилось при t свыше +25 градусов, все основания, открытые для воздуха, обрабатываются пленкообразующим грунтовочным составом. Отделочные работы могут проводиться спустя 3-5 суток.

Создание железобетонного пояса

Этот метод усиления стен отличается небольшими затратами и на его монтаж надо минимум времени. Толщина железобетонной обоймы составляет от 4 до 12 см, для ее создания используется мелкозернистый бетон, арматура, укладываемая в продольном и поперечном направлении.

К стене крепление железобетонной обоймы проводится при помощи фиксаторов, устанавливают ее по периметру здания и таким образом создают арматурную сетку.

Для укрепления стены, созданная железобетонная оболочка должна превышать ее прочность в несколько раз. После установки, железобетонная оболочка берет на себя часть нагрузки, создаваемой на стену, таким образом, она разгружается и прекращается ее повреждение.

Если необходимо сделать обойму толщиной до 40 мм, то она выполняется методом пневмобетонирования и торкретирования, после чего поверхность покрывают штукатуркой.

Если же слой обоймы толщиной до 120 мм, то ее делают при помощи инвентарной опалубки, она устанавливается вокруг ремонтируемой стены на всю ее высоту.

После создания опалубки, в нее вставляют специальные трубки, через которые подают бетонную смесь, имеющую мелкозернистую структуру.

Подготовка к ведению работ

Опираясь на тип повреждений бетонных стен, ремонтные мероприятия подразделяются на несколько классов:

• реставрация поверхности;
• устранение трещин;
• заливка полостей – усиление стен;
• гидрофобизация, введение пропиток;
• ремонт разрушений стыков;
• конструкционный ремонт бетонных стен.

До начала восстановительных мероприятий должны быть устроены подъезды, временные дороги. Организуются складские площадки, освещение рабочих мест. На объект завозится оборудование, материалы, средства и приспособления для безопасного ведения работ (подмостки, навесные люльки, леса).

Для эффективного производства ремонта следует тщательно определить фронт работ

Общие принципы ремонта бетонных стен состоят в следующем:

• крупные трещины на наружных стенах шириной до 1 мм, глубиной меньше 10 мм, не влияющие на адгезию основы и внешнего слоя прорезают, расширяют, углубляют, промывают водой. Заполнение проводится ремонтным составом, поверхность затирается заподлицо. После высыхания наносится защитное покрытие, такое же, что и покрытие всей стены;
• мелкие трещины шириной до 0.2 мм на наружных стенах перетирают растворами на мелком песке и заделывают составами, что и покрытие всей стены;
• трещины до 1 мм шириной внутри помещений расширяют, ремонтируют цементно-песчаным раствором в пропорции 1:3, после чего проводится окрашивание;
• волосяные трещины устраняются вторичным окрашиванием;
• трещины в местах примыканий расширяются и устраняются раствором;
• выбоины наружных стен с коррозией арматуры требуют восстановления стали, сварки предварительно очищенных концов. Выемки бетонируются заподлицо с наружной поверхностью;
• участки со слабой адгезией сбиваются. На основе выполняют насечку, увлажнение, восстанавливают слой. Могут применяться методики торкретирования по сетке;
• стыки восстанавливаются современными герметиками (самоклеящимися лентами, мастиками, упругими прокладками).

Установка композиционной обоймы

Указанный метод усиления кирпичных стен имеет высокую результативность и эффективность, так как при его проведении применяется высокопрочное стекло или углеволокно.

Данное решение позволяет значительно повысить прочность кирпичной кладки на сжатие и на сдвиг.

Выполняется установка композитной обоймы в следующем порядке:

1. сначала проводится очистка стен, которые будут усиливаться;
2. кладка пропитывается специальным составом;
3. подготовленная поверхность грунтуется;
4. проводится монтаж металлического каркаса;
5. разбирают временные крепления, но делать это можно, когда новая кладка приобретет не менее 50% своей расчетной прочности;
6. простенки штукатурят, а затем окрашивают.

Использование композитных материалов позволяет минимально увеличить нагрузку на фундамент, а единственным их недостатком является высокая стоимость.

Что такое несущие колонны и какие бывают

Колонны обычно возводятся в виде цилиндрических столбов, а их несущие характеристики сочетаются с декоративными функциями. Колонны могут располагаться по периметру помещения или здания, находится в центральной части больших площадей. Чаще всего такой элемент архитектуры применяется в общественных и торговых объектах, тогда как в жилых домах его можно встретить редко.

По основным материалам и свойствам несущие колонны подразделяются на следующие виды:

Уважаемые КЛИЕНТЫ!

Информация в статье содержит общую информацию, но каждый случай носит уникальный характер. По одному из наших телефонов можно получить бесплатную консультацию от наших инженеров — звоните по телефонам:

8 Москва (наш адрес)

8 Санкт-Петербург (наш адрес)

Все консультации бесплатны.

• деревянные опоры (чащей всего встречаются в домах старой застройки, так как у дерева есть ограниченный ресурс нагрузок);
• каменные, бетонные колонны – могут быть монолитными или сборными;
• металлические, железобетонные – основную нагрузку в них воспринимают металлические элементы, стержни, арматура.

По внешнему виду колонны могут быть круглыми, квадратными и прямоугольными, что обусловлено декоративными свойствами или специальным способом усиления. Помимо обеспечения безопасности перекрытий, колонны могут устанавливаться как опоры для балконов, террас, лоджий, антресолей. Помимо характеристик основного материала для колонн, важное значение для их прочности имеет грамотное распределение нагрузок между всеми конструкциями здания или помещения, особенности установки на пол или фундамент.

Нормативные акты

Для усиления любых несущих конструкций проводится обследование здания, подготовка проекта и рабочей документации. Помимо общих сводов правил, ГОСТ и СНиП на разные типы объектов, для работы с несущими колоннами будут применяться:

• СП 70.13330.2012 Несущие и ограждающие конструкции ();
• ГОСТ 18979-2014 Колонны железобетонные для многоэтажных зданий ();
• другие нормативные акты, соответствующие типу колонн.

Усиление несущих конструкций происходит в существующем здании. Поэтому нужно заказывать проект реконструкции, если колонны будут полностью или частично меняться, восстанавливаться, либо работы предусматривают изменение параметров здания. Также работы по усилению колонн могут потребоваться при капительном ремонте объекта, перепланировке здания или помещения.

Простым языком

Ремонт на колоннах с декоративными целями можно проводить вообще без проекта. Такие работы могут заключаться в окраске или восстановлении покрытия, т.е. без изменения несущих характеристик. Целью усиления несущих конструкций может являться:

• восстановление после чрезвычайных ситуаций (пожары, землетрясения, иные катаклизмы);
• выявление дефектов в ходе плановых или внеочередных осмотров, если есть угроза ухудшения несущей способности;
• проведение реконструкций, в том числе возведение дополнительных этажей и надстроек (в этом случае нужно усиливать конструкции всего здания, так как вес вышерасположенных элементов многократно увеличивается);
• изменение функциональных характеристик и назначения здания, что приведет к увеличению нагрузок на перекрытия;
• изменение планировки здания и помещений, в результате чего колонна может воспринимать дополнительные нагрузки за счет демонтажа других конструкций.

Укрепление стальными тяжами (обоймами)

Для усиления несущей способности стен, часто применяют стальную обойму. Чтобы создать такую конструкцию, вам понадобится арматура диаметром 12 мм, металлические полосы толщиной 10-12 мм и шириной 40-60 мм, металлические уголки.

По углам площади, которая будет усиливаться, вертикально монтируются металлические уголки, их фиксация выполняется при помощи раствора.

Между хомутами расстояние должно быть не больше 50 мм, а чтобы они лучше сцепились с раствором, уголки закрывают металлической сеткой. Чтобы защитить стальную обойму от коррозии, толщина цементного слоя должна быть в пределах 2-3 см.

Если площадь стены большая, то раствор наносят не вручную, а при помощи специального насоса.

Краткий вывод

Усиление кирпичной конструкции выполняют с целью профилактики деформации стен, а также для устранения существующих дефектов. Важно вовремя начать работы для повышения жесткости, чтобы впоследствии часть здания не просела и не упала. Появление трещин — первый признак потери прочности. Один и тот же дефект можно устранить несколькими способами. Метод укрепления зависит от технических характеристик кладки и масштабов ее разрушения. Железобетонные обоймы значительно повышают несущую способность. Усиление проема можно выполнить стальными тяжами. Пристрой легко укрепляется с помощью армирования.

Инъектирование конструктивных элементов

Современным методом усиления стен является инъектирование. Проводится оно следующим образом: в стене пробуриваются отверстия и в ее тело или это может быть выполнено за кирпичную кладку, вводятся цементные эпоксидные или полиуретановые составы.

Раствор попадает в трещину или пустоту, возникшую вследствие разрушения стены, предотвращает их дальнейшее повреждение, укрепляет и обеспечивает полную гидроизоляцию.

При помощи инъектирования стен, можно укрепить кладку, герметизировать появившиеся трещины, защитить стену от негативного действия влаги, провести герметизацию гильз водоводов, в которых размещены коммуникации и т.д.

Этапы укрепления бетонных стен

Перед началом любых работ специалистами тщательно обследуются требующие усиления стены здания. Попутно выявляются причины снижения эксплуатационных свойств бетона, чтобы в дальнейшем избежать неэффективного ремонта. По результатам обследования принимается решение в пользу тех или иных методов усиления бетонных стен, подбираются оптимальные для конкретного случая материалы.

Если укрепление и гидроизоляцию монолита решено выполнять с помощью инъектирования, то стены предварительно готовятся – очищаются от мешающей отделки, обветшалого и откалывающегося бетона, чистятся и продуваются. Образовавшиеся трещины и швы расширяются и делается разметка под установку инъекторов.

После подготовительных работ выполняется непосредственно усиление бетонных стен путем введения через инъекторы под давлением композитных восстанавливающих материалов. Благодаря тому или иному применяемому составу происходит быстрое заполнение пустот внутри бетона, связка и усиление его структуры. Монолит становится эффективно защищенным от воздействия влаги и дальнейшего разрушения под эксплуатационными нагрузками (вибрации, удары и пр.).

Советы по усилению проемов в несущих стенах при недостаточной несущей способности

Достаточно часто возникает надо сделать новый проем в несущей стене или укрепить существующий. При выполнении указанных работ, надо придерживаться разработанных технологий и соблюдать существующие нормы:

• если вы решили сделать проем в несущей стене, то надо придерживаться существующих нормативов, ширина проема в помещении высотой 2,5-3 метра не должна быть больше 2 метров;
• монтаж проема надо выполнять ближе к середине стены, тогда нагрузка будет распределяться равномерно;
• если дом многоэтажный, то на нижних этажах ширина проема не должна быть более 90 см;
• если вы делаете проем в кирпичной стене, то надо предварительно установить опорные контракции;
• делать проем в кирпичной стене лучше не отбойным молотком, а при помощи алмазной резки, в этом случае получается меньше пыли и шума, а сам проем будет более аккуратным;
• при создании проема учитывайте, что он должен быть немного больше ширины самой двери или окна, это необходимо для установки коробки.
• для сокрытия следов усиления можно использовать декоративные панели для имитации кладки

Если вам необходимо укрепить проем в кирпичной стене, то сделать это можно при помощи металлических уголков, двутавров или швеллеров. Эти элементы позволяют равномерно распределить нагрузку и усилить прочность проема.
При использовании швеллера учтите, что у него округлые края, поэтому он будет неплотно прилегать к краям проема. В этом случае, его края надо обтачивать или заливать зазоры специальным раствором.

Усиление сжатых колонн

Внецентренно сжатые стволы укрепляются за счет комбинации технических средств, среди которых армирующие бандажи, профильные металлические уголки и поперечные планки. Комплексное усиление позволяет в данном случае обеспечить стесненное деформирование и взаимную работу элементов обвязки с перекрытиями. То есть моменты нагрузки не перераспределяются, а напрямую перекладываются с верхней бетонной конструкции на нижнюю.

Основу усиливающей системы формируют несколько поперечных бандажей, которые перемежаются с одиночными армирующими вставками из стали или углепластика. Но если усиление колонны железобетонной обоймой производится с добавкой песчано-цементного раствора, то бандаж с накладками рассчитывается только на метизные крепежи. В частности, тот же бетон заменяется анкеровкой продольными элементами через перекрытия. Главная сложность монтажа такой системы сводится к необходимости выдержки осевой симметрии при установке продольных элементов захвата и крепления.

Оконного проема

Для усиления оконных проемов используют перемычки, которые устанавливают на этапе строительства. Делают перемычки из железобетона, при этом арматура обеспечивает их прочность, а бетон жесткость и сопротивление силам сжатия.

Если возникла необходимость расширить оконный проем, то новая конструкция должна быть обязательно укреплена так же, как это выполняется на этапе строительства дома.

Для усиления оконного проема используются прогоны, которые опираются на специальные выступы. Для создания прогонов могут использоваться швеллера, уголки, промышленные перемычки.

Разрешены ли изменения несущих колонн и как получить разрешение на их усиление

Так как любые работы по изменению несущих конструкций могут повлиять на безопасность здания, разрешения и согласования нужно получать по следующим направлениям:

• на любые виды работ требуется согласие собственников объекта;
• если работы проводятся в рамках реконструкции, нужно пройти экспертизу проекта, получить разрешение на строительство через стройнадзор;
• если усиление предусмотрено в рамках перепланировки в многоквартирных домах, на проект нужно получить согласование жилищной инспекции;
• для перепланировки с усилением колонн в нежилых зданиях проект утверждает сам собственник.

При любых изменениях несущих конструкций и усилении колонн нужно проводить обследования, разрабатывать проектную документацию. Выполнение работ без согласований и разрешений влечет применение административных санкций. Кроме того, собственника могут обязать вернуть конструкции в исходное состояние, если в ходе работ было допущено ухудшением их характеристик.

Пошаговая инструкция по армированию

Технология армирования разная. Это зависит от строительного материала. Для кирпичной кладки чаще используют сетку. При усилении газобетонных и пенобетонных блоков используют разную технику. Прутья, железобетонные пояса и сетки.

Если армирование происходи по время строительства, то арматурную сетку кладут через каждые 3-5 рядов.

Популярным является стержневое армирование.

• Предварительно собирается сетка. Она может быть связана или сварена;
• Потом, через каждые 50 см (в среднем), устанавливаются арматурные стержни. Расстояние от опалубки не должно превышать 6 см;
• Дно траншеи заполняется опорными элементами;
• Там, где места стержней пересекаются, они плотно перевязываются или свариваются;
• Нижние и верхние ряды скрепляются поперечными перемычками;
• Оставляются места для вентиляции;
• Конструкция заливается раствором.

В области строительства существует достаточно актуальных задач. Одна из них – усиление конструкций зданий, что касается как зданий, уже введенных в эксплуатацию, так и новых объектов строительства.

Причины усиления

Процесс подразумевает под собой улучшение самых различных характеристик прочности заявленных возведенных конструкций. При несвоевременном выполнении работ здание может быть разрушено, что влечет за собой не только несопоставимые материальные затраты, но и существенный риск появления человеческих жертв.

Основные причины необходимости проведения усиления:

• осуществление перепланировки и реконструкции существующих объектов;
• существенные ошибки при разработке проекта здания;
• технологические ошибки при возведении объекта;
• разрушение бетона при воздействии огня;
• понижение фактической крепости бетона;
• силовые и усадочные трещины в сооружениях;
• увеличение нагрузок и другие причины.

Информация для процедуры

Для подготовки проекта усиления нужна информация, которую необходимо заранее предоставить исполнителю.

Перечень необходимых для проекта документов и информации:

• предоставить все существующие чертежи и проект объекта;
• информацию по геоданным того участка, на котором построен объект;
• результаты гидрологического исследования фундамента здания;
• данные о соответствии о проведении фактических работ заявленному проекту, перечень отклонений, их анализ;
• аналитические данные о фактических сдвигах, прогибах, наклонах возведенных конструкций;
• результаты геодезической съемки окрестностей и участка;
• фактические сроки эксплуатации объекта;
• справка о всех технологических нагрузках, включая данные об их режимах и нюансах в процессе эксплуатации объекта;
• исчерпывающую информацию по всем характеристикам и свойствам использованных при строительстве материалов касательно всех элементов, требующих усиления;
• перечень технологических процессов, которые осуществляются на объекте, присутствие агрессивных сред и материалов, температурных режимах;
• информация о произошедших авариях и разрушениях в здании, если они имели место, анализ и причины их возникновения.

Методика усиления конструкций

Методы для усиления конструкций используются разные, условно их можно разделить на три формации: комбинированные, инновационные и традиционные. Подходящее направление должно быть определено в ходе экспертизы объекта.

Традиционные методы:

1. Обетонирование объекта, которое осуществляется нанесением дополнительного бетонного слоя с тем, чтобы увеличить площадь сечения и крепость конструкции.
2. Упрочнение отдельных конструкций посредством монтирования элементов стального проката, например, уголками, стяжками, швеллерами и т.п.
3. Монтаж дополнительных элементов, для распределения несущей нагрузки (распорок и т.д.)

Инновационные:

1. Усиление железобетонных конструкций композитными материалами осуществляется в ситуациях, требующих существенного увеличения несущей способности элементов. Пласты углепластика в несколько мм толщиной наклеиваются на контрукции, которые требуют усиления. При этом за счет тонкого слоя внутренние размеры помещений изменений не претерпевают, а временные затраты минимальны.
2. Инъектирование целесообразно применять при обнаружении полостей и трещин в несущих конструкциях, в том числе фундамента. Этот метод позволяет скрепить части железобетонного объекта.
3. Усиление конструкции преднапряженными канатами повышает жесткость и устойчивость к трещинам, усиливает прочность монолитных объектов. Применяются предварительно напряженные канаты, со знаком напряжения противоположному знаку нагрузки.

Комбинированные методики, как следует из названия, могут соединять в применении методы обоих направлений в случае необходимости.

Общие принципы

Основные методы усиления принято разделять на два направления.

1. Создание различных конструкций, направленных на разгрузку или замену конструкций под нагрузкой: то есть происходит возведение в непосредственной близости нового объекта, который принимает на себя какую-то часть или даже всю нагрузку, которая до этого ложилась на сооружение, требующее усиления. Существенный недостаток описываемой методики – необходимость внесения ощутимых и заметных изменений в интерьер помещений, а также и уменьшение полезной используемой площади.
2. Усиление уже существующих сооружений с тем, чтобы повысить их собственную несущую способность. Подобный подход может затрагивать расчетную схему и напряженное состояние, но может и не затронуть. Важная задача при применении подобной методики – это наиболее оперативное вмешательство и максимально раннее начало работ по упрочнению конструкций. Для достижения поставленных целей чего может быть применена предварительная разгрузка несущей конструкции с последующим ее усилением. Изменение расчетной схемы может быть произведено разными способами, в том числе и изменением или переносом точек воздействия нагрузки для ее более грамотного и равномерного распределения, со снижением нагрузки в конкретных местах. Один из методом усиления существующих конструкций – использование композитов.

Усиление грунтов

В некоторых случаях укрепления требует грунтовое основание: например, если деформация грунта приводит к оседанию фундамента здания. Происходит процесс усиления укреплением основания через инъектирование разнообразных растворов, способствующих решению задачи.

В области строительства разработаны следующие проектные методы усиления грунтовых оснований:

1. Усиление цементной суспензией, позволяющий увеличить прочности до 1,0 – 4,0 МПа и снизить водопроницаемость грунта. Лучше всего использовать для укрепления песчаных грунтов с крупной фракцией.
2. Силикатизация, может быть осуществлена одним или двумя растворами одновременно (соответственно однорастворная и двухрастворная). В первом случае используется только раствор силиката натрия, во втором он же в сочетании с раствором хлористого кальция. Оба варианта способствуют снижению водопроницаемости грунтов, и используются для мелкофракционных песков, в том числе пылевых.
3. Отдельная разновидность – электросиликатизация, когда происходит последовательное нагнетание обозначенных растворов, область применения шире – пески, суглинки и глины.
4. Усиление карбамидной смолой в сочетании с отвердителем, также используется на песчаных грунтах.
5. Процесс глинизации, используемый для лессов. Нагнетанием глинистой суспензии происходит общее повышение устойчивости к воздействию подземных вод.
6. Термическая обработка грунтов, при которой в скважине сжигается топливо. Подход применяется для лессовидных суглинков и лессов, способствует упрочнению и повышению водонепроницаемости.

Усиление фундаментов

При необходимости упрочнения фундаментов могут также применяться различные конструкции, как разгружающие/заменяющие, так и усиление существующих несущих элементов. Это зависит в том числе и от грунтов, и состояния самих элементов. Если прослеживается зависимость от грунтов, то применяются заменяющая и разгружающая методика, если возникает вопрос прочности самого фундамента, то ведется работа по его упрочнению.

Возможные варианты упрочнения фундаментов разнятся в зависимости от того, из каких материалов и в каких условиях они были возведены. Способы можно выделить следующие:

1. Для фундаментов, сооруженных из кирпича, бутовой кладки или мелких блоков можно произвести замену кладки, но не всего сразу, а через замену отдельных участков длиной до метра.
2. Упрочнение цементом для каменной кладки и бетона, целесообразно для фундаментов с трещинами.
3. Торкретирование после предварительной очистки поверхности и придания ей шероховатости. Смесь наносится под давлением.
4. Сооружение «рубашки» из железобетона, применяемое для всех вариантов фундаментов.
5. Упрочнение специализированными клеевыми соединениями.
6. Перераспределение несущей нагрузки на слои грунта ниже.
7. Расширение опорной площади фундамента.
8. Углубление возведенного фундамента.

Существенный момент при усилении любой строительной конструкции – детальная проработка проекта, поскольку без проектирования проводить подобные работы слишком рискованно.

Овчинников Игорь Г еоргиевич

Ovchinnikov Igor Georgievich Пермский национальный исследовательский политехнический университет

614600, Пермь, ул. Королева 19.

Профессор/professor E-Mail: bridgesar@mail.ru

Валиев Шерали Назаралиевич

Valiev Sherali Nazaralievich Московский государственный автомобильно-дорожный технический университет. 125829, Москва, Ленинский проспект, 64

Доцент/docent E-Mail: mostimadi@mail.ru

Овчинников Илья Игоревич

Ovchinnikov Ilya Igorevich

Саратовский государственный технический университет имени Г агарина Ю.А.

410054, Саратов, ул Политехническая, 77

Доцент/docent E-Mail: bridgeart@mail.ru

Зиновьев Владимир Сергеевич

Zinoviev Vladimir Sergeevich Саратовский государственный технический университет имени Г агарина Ю.А.

410054, Саратов, ул Политехническая, 77

Аспирант/aspirant E-Mail: Zinovev_bridge@mail.ru

Умиров Азамат Давлетбаевич

Umirov Azamat Davletbaevich Саратовский государственный технический университет имени Г агарина Ю.А.

410054, Саратов, ул Политехническая, 77

Магистрант/magistrant E-Mail: azamat-umirov@mail.ru

Вопросы усиления железобетонных конструкций композитами: 1. экспериментальные исследования особенностей усиления композитами изгибаемых железобетонных конструкций

Use the composites for strengthening reinforced concrete: 1. Experimental studies of the composites strengthening for flexural reinforced concrete structures

Аннотация: Кратко рассмотрены существующие способы усиления железобетонных конструкций пролетных строений, включая усиление композиционными материалами на основе углеродных волокон в полимерном связующем. Приведены результаты экспериментальных исследований работы изгибаемых железобетонных конструкций, усиленных композитными материалами.

The Abstract: Briefly discussed ways to strengthen existing concrete structures of bridge spans, including the strengthening using composite materials based on carbon fibers in the polymer matrix. The experimental results of the flexural reinforced concrete, strengthened composite materials are considered

Ключевые слова: Железобетон, усиление, композиты, прочность, испытания

Keywords: Concrete, reinforcement, composites, durability testing

***

Введение

К настоящему времени на мостах и путепроводах автомобильных дорог Российской Федерации эксплуатируется более сорока тысяч железобетонных пролетных строений, которые отличаются и конструктивными решениями, и примененными при их проектировании нормативными документами, и технологией их возведения. Причем эти сооружения работают в весьма различных климатических условиях и подвергаются воздействию различных агрессивных эксплуатационных сред.

Следовательно, железобетонные конструктивные элементы мостовых сооружений в процессе эксплуатации подвергаются воздействию не только эксплуатационных нагрузок, но и агрессивных сред. Результаты натурных наблюдений и экспериментальных исследований, выполненных многими исследователями, свидетельствуют о том, что воздействие карбонизации, хлоридсодержащих, сульфатсодержащих и других эксплуатационных сред приводит к существенным изменениям механических свойств материала конструкции, а в некоторых случаях и к изменению характера работы конструкции. По мере проникания агрессивных сред в конструктивные элементы и взаимодействия их с материалом происходит деградация материала, коррозия армирующих элементов, появление и развитие не только силовых, но и коррозионных трещин. В результате снижается грузоподъемность, повышается деформативность и в целом сокращается долговечность мостовых сооружений.

В связи с появлением ГОСТ Р 52748 временную вертикальную нагрузку от подвижного состава при проектировании мостовых сооружений следует принимать в виде полос АК от автотранспортных средств и от тяжелых одиночных нагрузок НК с классом нагрузки К, равным 14. На сегодняшний день эксплуатируемые пролетные строения автодорожных мостов запроектированы под временные нагрузки с классами К, равными 11, а также более низкими. Поэтому при проведении капитального ремонта железобетонных мостов для обеспечения безопасного пропуска современных расчетных нагрузок требуется замена или усиление главных балок железобетонных пролетных строений.

Конструкции пролетных строений автодорожных мостов отличаются большим многообразием — с начала второй половины XX в. и по сегодняшний день установлены и эксплуатируются пролетные строения, запроектированные под нагрузки: Н-13, НГ-60; Н-18, НК-80; Н-30, НК-80; А8, НГ-60; А11, НК-80. Основная масса пролетных строений — это плитные или ребристые конструкции, выполненные из железобетона. Диапазон перекрываемых ими пролетов в среднем от 6 до 21 м. Данные многочисленных обследований, показывают, что около 25 % эксплуатируемых железобетонных пролетных строений имеют различного рода повреждения, которые либо затрудняют их эксплуатацию, либо приводят к снижению несущей способности.

Анализ результатов обследований мостов позволяет сделать однозначный вывод — основные причины появления повреждений на железобетонных мостах и путепроводах — коррозия бетона и арматуры вследствие попадания на элементы мостов воды с проезжей части и тротуаров. Особенно губительна вода с проезжей части и тротуаров в осенне-зимний период, поскольку она содержит в себе химические вещества, применяемые при борьбе с гололедом и губительные для железобетонных конструкций мостов и путепроводов (вызывающие хлорид-ную коррозию в дополнение к карбонизации). Результаты обследования малых (балочных) мостов и путепроводов выявляют практически одни и те же дефекты, связанные с коррозией железобетона. На всех мостах и путепроводах идет интенсивное разрушение крайних балок, это связано с тем, что на крайние балки попадает вода с проезжей части и тротуаров. Вторым слабым местом мостов являются деформационные швы — они на всех мостах находятся в таком состоянии, что через них вода с проезжей части свободно попадает на торцы балок пролетных строений, ригели и верхнюю часть опор, приводя к их разрушению.

Строители всегда знали, что соль, используемая при борьбе с гололедом на автомобильных дорогах, губительна для железобетонных сооружений, но посчитали, что стоит вписать в технические правила по содержанию автодорог запрет на применение соли для борьбы с гололедом на мостах и проблема будет решена, но на практике оказалось совсем не так. Во-первых, вместо соли не было предложено ничего, массово производящегося в стране. Во-вторых, интенсивность движения и скорость транспортных средств резко возросли, аварийность тоже возросла, и безопасность движения выдвинулась на передний план. Требования содержания автодорог обязывают обеспечить безопасность на наиболее опасных участках дорог, в том числе на мостах и путепроводах. Исходя из этого, а также в соответствии с требованиями ГИБДД, службы эксплуатации дорог в первую очередь и наиболее интенсивно обрабатывают противогололедными смесями мосты и путепроводы. И здесь следует отметить прямую зависимость между интенсивностью борьбы с гололедом и скоростью и объемами разрушения железобетонных элементов искусственных сооружений. Так, если зима «сиротская», то количество переходов через «ноль» в течение зимы составляет несколько десятков раз, и, как следствие, ведется интенсивная борьба с гололедом, то объем разрушений, вызванных коррозией железобетона, резко возрастает. Особенно это заметно, когда «сиротские» зимы следуют несколько лет подряд. Практика показала прямую зависимость между количеством израсходованной соли для борьбы с гололедом и объемами коррозионных разрушений на железобетонных мостах.

Эффективным способом повышения несущей способности железобетонных пролетных строений является применение современной технологии усиления композитными материалами. В настоящее время оценка несущей способности железобетонных пролетных строений, усиленных композитными материалами, производится по зарубежным методикам, положенным в основу действующих международных норм по проектированию. Применение указанных методик в Российской Федерации существенно ограничено, так как в них заложены гипотезы и подходы, отличающиеся от тех, которые реализованы в российских нормах, кроме того

в них не учитываются особенности работы конструкций в российских дорожно — климатических зонах.

Отметим известные в России рекомендации, руководства и стандарты организации по расчету железобетонных конструкций, усиливаемых композитными материалами.

Это, во-первых Руководство по усилению железобетонных конструкций композитными материалами, разработанное ООО «ИнтерАква» и НИИЖБ в 2006 году.

Затем появился стандарт организации, разработанный СТО 13613997-001-2011. СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Зика Россия. 2011. 55 с.

Как утверждают разработчики этого стандарта, в основу его разработки положен накопленный за рубежом и в России опыт проектирования и выполнения работ по усилению конструкций, научные исследования, проведенные в НИИЖБ (д.т.н. проф. Клевцов В.А., инж.Фаткуллин Н.В.) в ООО «ИнтерАква» (инж.Чернявский В.Л., д.т.н. Хаютин Ю.Г., к.т.н.Аксельрод Е.З.), в ЗАО «Триада-Холдинг (д.т.н. проф. Шилин А.А., к.т.н Пшеничный В.А.,к.т.н. Картузов Д.В.) и ряде других организаций, результаты многочисленных зарубежных экспериментальных работ, а также рекомендации производителей композитных материалов для усиления строительных конструкций.

Наконец, в 2012 году появились Рекомендации по расчету усиления железобетонных конструкций системой внешнего армирования из полимерных композитов БЛАВМ, разработанные лабораторией теории железобетона и конструктивных систем ОАО «НИЦ «Строительство» (НИИЖБ). Разработчики этого руководства также ссылаются на то, что при его разработке было использовано вышеуказанное Руководство по усилению железобетонных конструкций композитными материалами.

1. Существующие способы усиления железобетонных конструкций

пролетных строений

Усиление железобетонных конструкций может осуществляться как путем изменения конструктивной схемы, так и без него.

Усиление изменением конструктивной схемы является одним из наиболее эффективных методов, особенно для изгибаемых элементов. Сущность метода заключается в устройстве дополнительных конструкций, перераспределяющих силовые потоки на менее нагруженные элементы несущей системы конструкции. В литературе этот метод иногда называется методом подведения разгружающих конструкций или методом частичной разгрузки.

В зависимости от вида разгружающей конструкции, перераспределение усилий достигается уменьшением расчетного пролета, повышением изгибной жесткости усиленного сечения и созданием более благоприятного потока внутренних усилий.

По конструктивному исполнению усиление изменением конструктивной схемы изгибаемых элементов выполняется устройством подкосных и опорных стоек, порталов, рам, подвесок, шпренгелей, балок, затяжек.

Данные способы усиления можно классифицировать как усиление подведением жестких, упругих или гибких разгружающих конструкций.

Жесткие разгружающие конструкции применяют в тех случаях, когда необходимо значительно увеличить несущую способность или разгрузить существующие конструкции. Усиливаемые элементы необходимо проверить на действие поперечных сил в местах новых опор. В необходимых случаях выполняют усиление сечений в опорных участках.

Упругие разгружающие конструкции в виде балок довольно часто применяются на практике.

Усиление без изменения конструктивной схемы может осуществляться путем увеличения площади поперечного сечения элементов конструкций, а также путем внешнего армирования без увеличения поперечного сечения с использованием предварительно напряженных арматурных пучков, приклеиваемых к конструкции стальных листов или арматурных элементов из композиционных материалов.

Увеличение площади поперечного сечения реализуется путем устройства железобетонных обойм на несущий элемент находящихся в эксплуатации конструкций. Сечения балок, плит могут увеличиваться с целью повышения их несущей способности. Добавленный материал должен иметь сцепление со старым бетоном для того, чтобы образовывать монолитный элемент конструкции — составную систему.

Более поздним усовершенствованием явилось использование торкрет-бетона и растворной смеси, наносимой методом набрызга в рамках технологического процесса, получившего название «торкретирования». Этот процесс представляет собой очередной шаг на пути совершенствования технологии нанесения бетона.

Усиление увеличением сечения (наращиванием), в зависимости от материала усиливаемого и усиливающего элементов, может осуществляться прикреплением дополнительных штучных элементов или замоноличеванием.

Усиливающий элемент может быть предусмотрен как из аналогичного с усиливаемым элементом материала, так и из другого материала.

При конструктивном оформлении усиления увеличением сечения следует придерживаться следующих требований:

а) обеспечивать надежную совместную работу усиливающего и усиливаемого элементов как на силовые, так и на температурные и другие воздействия, в соответствии с принятой схемой их соединения;

б) назначать места обрыва элементов усиления в участках упругой работы материала усиливаемых конструкций, избегать резких концентраторов напряжений.

Учитывая, что усиливающий элемент увеличивает не только площадь сечения, но и момент инерции, а также перераспределяет усилия, следует располагать его по сечению усиливаемого элемента, предусматривая максимальное использование расчетных характеристик усиленного сечения.

В зависимости от вида напряженного состояния исходного элемента усиливающий элемент следует располагать:

а) в изгибаемых элементах, если нет опасности потери устойчивости, то с максимальным удалением от нейтральной оси исходного сечения для повышения момента сопротивления в плоскости изгиба;

б) в центрально-сжатых элементах — не нарушая положения центра тяжести, стремясь к увеличению радиуса инерции в обеих плоскостях;

в) во внецентренно-сжатых элементах — повышая радиус инерции в обеих плоскостях одновременно, добиваясь совмещения нейтральной оси с точкой приложения продольного усилия.

Усиливающий и усиливаемый элементы, в зависимости от способа взаимного скрепления, могут работать совместно, как единая конструкция или раздельно, с перераспределением возникающих усилий соответственно жесткостным характеристикам сечений.

Ощутимую выгоду от увеличения строительной (конструктивной) высоты за счет укладки поверх имеющейся конструкции дополнительного несущего слоя железобетона можно получить только в том случае, если вся конструкция вплоть до достижения критического предельного состояния будет функционировать как монолитная система. Для такой системы, действующей по принципу монолита, требуется хорошее сцепление или способность к передаче горизонтального сдвига на границе раздела между материалами, которое не ухудшается раньше времени под воздействием цикличных нагрузок от движения транспортных средств, от внешней среды, а также температурных нагрузок.

Способ увеличения площади поперечного сечения относительно прост и экономичен. Недостатками данного способа являются опасность коррозии замоноличенной в бетон стальной арматуры и разрушения бетона. Физическая несовместимость материалов для ремонта со «старым» бетоном обычно основывается на несоответствии их прочностных характеристик на сжатие, растяжение, сдвиг, модулей упругости, коэффициентов температурного расширения и т.д. Изменения объема нового материала в условиях ограниченной свободы деформаций вызывают растягивающие напряжения, что может приводить к образованию трещин и к отслаиванию в тех случаях, когда вызываемые растягивающие напряжения превышают сопротивление нового материала.

Усиление железобетонных конструкций путем внешнего армирования с предварительным напряжением арматурных пучков используется как строительный метод с 50-х годов прошлого столетия. В настоящее время предварительное напряжение арматурными пучками широко применяется для усиления железобетонных конструкций в США, Японии, Швейцарии, России и других странах.

Способ усиления конструкций, предусматривающий регулирование напряжений, позволяет уменьшить усилия, действующие в конструкции. Преимущество данного метода также состоит в том, что усиление может производиться без разгрузки.

Регулирование усилий достигается предварительным напряжением усиливающих элементов до необходимого уровня.

Натяжение арматуры осуществляется механическим или электротермическим способом. При последнем температура нагрева принимается в диапазоне 300-350оС. В обычных условиях нагрев может быть осуществлен с применением сварочных трансформаторов.

Для механического натяжения затяжек, шпренгелей применяют гидравлические домкраты, винтовые распорки и стяжки, натяжные параллелограммы, полиспасты, тали и др. Выбор средств натяжения диктуется величиной требуемого усилия натяжения, особенностями усиливаемой конструкции и усиливающих деталей, производственными условиями.

В изгибаемых элементах натяжение осуществляется:

— натяжением затяжек продольным усилием;

— стягиванием ветвей затяжек или шпренгелей в продольном направлении;

— оттягиванием затяжек или шпренгелей в поперечном направлении.

Натяжение контролируют по величинам усилий в домкратах, определяемым по показаниям манометров, и удлинению затяжек. Удлинение регистрируется индикаторами, тензометрами, прогибомерами. После выполнения натяжения и его контроля положение затяжки (или

анкерных устройств) фиксируется диафрагмами, подкладками, ребрами жесткости, упорными столиками, накладками и др.

К достоинствам усиления железобетонных конструкций наружными арматурными элементами с предварительным напряжением относятся:

— простота производства работ;

— возможность обследования сооружения в течение всего срока его службы;

— возможность замены напрягаемых арматурных элементов;

— возможность контролировать усилие натяжения.

Недостатки, в основном, связаны с незащищенностью от внешних воздействий, а именно:

— подверженность коррозии;

— низкая огнестойкость.

Защита системы предварительного напряжения наружными прядями от агрессивного воздействия внешней среды и огня обычно осуществляется за счет создания защитной оболочки из бетона или торкрет-бетона.

Усиление конструкций с применением арматуры в виде стальных листов заключается в том, что стальные пластины или другие стальные элементы приклеиваются к бетонной поверхности с помощью двухкомпонентного эпоксидного клеящего состава, за счет чего создаются трехфазная система «бетон — клеящий состав — сталь».

Стальные пластины, приклеиваемые к растянутой грани бетонных балок, способны увеличивать сопротивление изгибу (прочность на изгиб), а также обеспечивать повышение изгибной жесткости и связанное с этим уменьшение прогиба и растрескивания.

Приклеиваемые стальные пластины, которые дополняют собой уже имеющуюся стальную арматуру, замоноличенную в бетон, требуют создания «защитной оболочки», предохраняющей стальные листы от коррозии.

Приклеивание стальных пластин к бетону оказывается эффективным методом усиления в том случае, когда соблюдаются три важных условия.

1. Подлежащие склеиванию поверхности должны находиться в чистом состоянии. Рекомендуется проведение абразиво-струйной обработки для поверхности стали и бетона.

2. Эпоксидный состав должен обладать как минимум такой же прочностью сцепления, что и бетон (разрушение должно происходить по бетону).

3. Пластины должны быть длинными и тонкими, чтобы избежать нежелательного хрупкого разрушения отрыва пластины, хотя для предотвращения такого типа разрушения может применяться дополнительная анкеровка на концах пластины.

При соблюдении указанных рекомендаций стальные пластины могут быть эффективно использованы для повышения прочности и эксплуатационной надежности находящихся в эксплуатации железобетонных сооружений.

Основная сложность при практическом использовании стальных пластин на месте проведения работ представляет их масса и, соответственно, необходимость ограничения длины таких пластин, диктуемая удобством их транспортировки и работы с ними. В целях транспортировки длину пластин приходится ограничивать, и поэтому пластины приходится соединять встык или сращивать. Это усложняет расчет конструкций подземных сооружений и техноло-

гию работ по усилению. Плоским стальным пластинам трудно придать такую форму, которая соответствовала бы сложным профилям.

В описываемом процессе усиления используются пластины из низкоуглеродистой стали, несмотря на то, что они по своим свойствам подвержены опасности коррозии. Например, стальные пластины, приклеивающиеся к нижней поверхности конструкций, подвергаются воздействию противогололедных материалов, которые применяются для транспортных средств в зимний период, и сразу же после монтажа требуется создание соответствующей системы их защиты. В дальнейшем это ставит задачу дополнительного ухода и текущего ремонта сооружения.

Другой проблемой, связанной с использованием стальных пластин, является отсутствие гарантии долговечности сцепления и возможность коррозии на границе раздела стали с клеящим составом. Указанные обстоятельства могут привести к дополнительным затратам по эксплуатации и текущему ремонту конструкций.

В качестве примера на рис. 1 представлена конструкция усиления главной балки железобетонного пролетного строения металлом.

Рис. 1. Конструкция усиления главной балки пролетного строения металлом

Имеющийся отечественный опыт свидетельствует о том, что до 75% отремонтированных и усиленных конструкций имеют отказы в течение первых пяти лет эксплуатации. Такое положение объясняется низким качеством выполнения работ, включая выбор ремонтных материалов, и отсутствием достоверной информации об изменении эксплуатационной надежности отремонтированных конструкций во времени. Долговечность отремонтированных конструкций имеет значительный разброс, обусловленный изменчивостью эксплуатационных условий по трассе сооружений. Отсутствие достоверных знаний о параметрах износа отремонтированных конструкций обуславливает директивное назначение времени проведения ремонтных мероприятий, что приводит к преждевременному ремонту одних конструкций и повышенному уровню рисков при эксплуатации других. В результате этого происходит значительное увеличение эксплуатационных затрат. Экономическая эффективность процесса эксплуатации сооружений может быть достигнута в результате прогнозирования изменения надежности конструкций и правильного планирования времени проведения ремонтных работ.

Эксплуатация мостовых сооружений, как уже отмечалось, происходит в условиях воздействия агрессивной среды, что приводит к ускоренному коррозионному износу конструкций. Продукты коррозии металлической арматуры увеличиваются в объеме и образуют продольные трещины в бетоне с последующей интенсификацией процесса коррозии, разрушени-

ем защитного слоя и потерей несущей способности конструкции. В случае использования при ремонте и усилении металлической арматуры коррозионный процесс может через некоторое время возобновиться. Это время зависит от уровня агрессивности среды и может изменяться в широких пределах, а соответственно должны изменяться и межремонтные сроки. Воспрепятствовать такому положению можно путем использования не подверженных коррозии композиционных материалов на основе высокопрочных волокон (углеродных, арамидных, стеклянных и др.) При этом износ конструкций будет в значительно меньшей мере зависеть от агрессивности окружающей среды и межремонтные сроки могут быть назначены с большей достоверностью. Это обеспечит существенное снижение затрат и увеличение эксплуатационной надежности сооружений.

Усиление железобетонных конструкций композиционными материалами реализуется путем внешнего армирования — присоединения к существующей конструкции с помощью полимерных клеев или связующего на минеральной основе.

Композитными или композиционными называют материалы, состоящие из двух или более компонентов. При этом материал можно считать композиционным в том случае, если соблюдается ряд дополнительных условий. Прежде всего, доля каждого компонента не должна быть ниже некоторого значения, ориентировочно 5-10%. Во-вторых, свойства составляющих компонентов должны существенно различаться и вследствие этого свойства самих композиционных материалов должны заметно отличаться от свойств исходных компонентов. Непрерывная фаза называется связующим, а второй компонент — наполнителем или армирующей фазой, роль которой заключается в изменении в нужном для практических целей направлении свойств связующего материала.

Композиционные материалы могут быть выполнены на основе различных связующих -полимерных, керамических, металлических, минеральных и других . В зависимости от применяемых связующих механические свойства композиционных материалов значительно различаются. Полимерные связующие имеют сравнительно невысокие прочность и модуль упругости, керамические — обладают высокой прочностью и жесткостью, но при этом очень хрупки, металлические — имеют промежуточные значения прочности, модуля упругости и весьма пластичны.

Применяемые в строительстве композиционные материалы изготавливаются собственно из высокопрочных волокон (углеродных, арамидных, стеклянных и др.), омоноличенных в связующем составе на полимерной основе или ремонтном материале на цементной основе. Физико-механические свойства таких материалов определяются типом и количеством применяемых волокон, их ориентацией и распределением в поперечном сечении ленты. Роль связующего материала сводится к перераспределению действующих напряжений между волокнами, а также их защите от внешних воздействий. В качестве отверждающего полимера чаще всего используются эпоксидные и полиакринитриловые смолы. Волокна наполнителя, как правило, имеют длину, намного превышающую их диаметр. Волокна в связующем материале могут быть случайно расположенными или иметь преимущественное направление ориентации. Если они располагаются в одном направлении, то такой композиционный материал называется однонаправленным. При использовании в качестве наполнителя ткани с двунаправленным расположением волокон композиционный материал называют двуосноармирован-ным. В отдельный класс выделяются жесткие композиционные материалы — ламинаты. Ламинаты состоят из нескольких однонаправленных слоев, при этом ориентация каждого слоя относительно предыдущего может изменяться. Разновидностью ламинатов являются гибриды -многослойные композиционные материалы, армированные волокнами различного типа. Соче-

2. Применение композитных материалов для усиления железобетонных конструкций

тание волокон подбирается таким образом, чтобы использовать преимущества каждого из них. Например, получить относительно недорогой композиционный материал, обладающий повышенной прочностью и жесткостью благодаря низкой стоимости стекловолокон и высокой жесткости углеродных волокон.

В зависимости от типа волокон (фибры), используемых для изготовления композиционного материала (КМФ) их подразделяют на композиционные материалы на основе углеродных волокон (КМФУ), арамидных волокон (КМФА) и стекловолокон (КМФС). В зарубежной научно-технической литературе такие материалы получили название FRP (fibre reinforced polymer).

В композиционных материалах на основе стекловолокон используются кварцевые стекла. Стекловолокна, предназначенные для внешнего армирования, подразделяются на три типа: Е — стекловолокно, А — стекловолокно и AR — стекловолокно, имеющее высокую сопротивляемость щелочным воздействиям. Е — стекловолокно содержит большое количество борной кислоты и алюмината, хорошо работает в водных растворах, и плохо сопротивляется щелочной и кислотной агрессии. А — стекловолокно является более прочным и жестким, но практически не выдерживает щелочных воздействий, его стоимость выше по сравнению с другими стекловолокнами. В AR-стекловолокно для предотвращения негативных воздействий щелочной агрессии на контакте с усиливаемой железобетонной конструкцией вводится значительное количество циркония. Под действием щелочного цемента из поверхностного слоя волокон постепенно вымывается SiO2 и он обогащается подавляющим коррозию ZrO2.

Достоинство всех типов стекловолокон — их относительно невысокая стоимость.

Арамидные волокна применяются начиная с 70-х годов прошлого столетия и выпускаются различными производителями под разными торговыми марками — кевлар, тварон, техно-ра. По химической структуре арамиды аналогичны нейлону. Эти волокна анизотропны по своей структуре и по сравнению со стеклянными имеют более высокие прочность и модуль упругости. Они более пластичны при действии растягивающих нагрузок, но при сжатии остаются упругими до разрушения. Арамидные волокна обладают хорошей выносливостью и жесткостью, а также низкими электро- и теплопроводимостью.

Наибольшее применение при создании композиционных материалов для ремонта и усиления строительных конструкций получили углеродные волокна. Углеродные волокна изготавливаются из различных исходных материалов, называемых прекурсорами. Механические свойства волокон в значительной мере зависят от свойств прекурсора и условий карбонизации, т.е. от степени насыщения исходного материала углекислым газом. Эти факторы являются определяющими для физико-механических свойств изготавливаемых углеродных волокон.

Существует три основных типа прекурсора. Первый тип — волокна изготавливаются из очищенной нефти или угля (пеков), экструдируемых под большим давлением через очень тонкое сопло (фильеру) с последующей их карбонизацией при температуре до 2000оС. В результате получают высокомодульные пековые волокна с высокой плотностью.

Второй тип — полиакрилонитриловые волокна (ПАН-волокна), которые изготавливают из полиакрилонитрильного прекурсора путем его карбонизации под воздействием высокой температуры. Диаметр волокон при этом способе их получения меньше и составляет 5-8 мкм. Структура волокон определяется степенью их карбонизации и ориентацией кристаллов. Разработка высокопрочных волокон привела к созданию высокодеформативных ПАН-волокон, у которых деформация при разрыве достигает 2%.

Третий тип прекурсора — целлюлозные волокна. Но так как процесс разложения (циро-лиза) целлюлозы весьма сложен, то и объемы производства углеродного волокна по этой технологии невелики.

Физико-механические характеристики некоторых типов угле-, стекло- и арамидных волокон, а также термореактивных смол, применяемых при усилении строительных конструкций, приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1

Физико-механические свойства некоторых типов волокон, используемых при изготовлении

композиционных материалов

Тип фибры Прочность на растяжение, МПа Модуль упругости, ГПа Деформация удлинения, % Плотность, т/м3

Углерод высокопроч- ”1) ный ‘ 4300-4900 230-240 1,9-2,1 1,8

Углерод высокомо- ”1) дульный ‘ 2740-5500 290-330 0,7-1,9 1,78-1,81

Углерод высокомо- ”2) дульный ‘ 2600-4020 540-640 0,4-0,8 1,91-2,12

Арамид 3200-3600 124-130 2,4 1,44

Стекло 2400-3500 70-85 3,5-4,7 2,6

1)На полиакринитриловом связующем

2)На эпоксидном связующем

Таблица 2

Физико-механические свойства некоторых типов отвержденных полимеров

Свойства Фирма-производитель

МВТ БББ БМЬ Б1ка Биткото

Прочность на растяжение, МПа 50 17 81 30 29

Прочность при изгибе, МПа 120 28 — — —

Модуль упругости при изгибе, МПа 3 5 — 3,8 2,5

Температура стеклования, оС 55 60,80 59 53 55

Наиболее предпочтительны для усиления железобетонных конструкций композиционные материалы на основе углеродных волокон. Они обладают исключительными физикомеханическими характеристиками (высокой прочностью на растяжение и сжатие и близким к стали модулем упругости), а также стойкостью к различным агрессивным средам. Аналогичные материалы на основе арамидных волокон имеют недостаточную прочность на сжатие, а стеклопластики — относительно низкий модуль упругости.

Модуль упругости композиционных материалов имеет важное значение при усилении строительных конструкций, особенно при использовании композиционных усиливающих элементов без предварительного напряжения.

Только жесткие элементы внешнего армирования могут уменьшить напряжения в существующей арматуре. Элементы внешнего армирования из стеклянных или арамидных волокон должны быть значительно толще, чем из углеродных из-за относительно низкого их модуля упругости. Однако при применении толстых пластин внешнего армирования возникает проблема обеспечения совместной работы усиливающих композитных элементов с бетоном конструкции из-за возникновения больших касательных напряжений на границе бетон-композит и опасности хрупкого разрушения от сдвига. Исследования показали, что толстые элементы усиления из стеклопластика не достигают расчетной прочности, толщина элемента усиления не должна превышать 1/50 ширины его сечения. Физико-механические свойства некоторых типов композиционных материалов приведены в таблицах 3 и 4.

Таблица 3

Физико-механические свойства некоторых типов углепластика (ламинатов) по данным производителя

Торговая марка Толщина, мм Ширина, мм Модуль упругости, Е (ГПа) Прочность при растяжении К (МПа) Относи- тельное удлине- ние,е,% Напол- нение, %

Sika Carbodur S 1,2; 1,4 50-120 > 155 2400 >1,9 >68

Sika Carbodur M 1,4 60; 90; 1200 > 210 2000 >1,1 >68

Sika Carbodur H 1,4 50 > 300 1400 >0,8 >68

S&P Laminates CFK 200/2000 1,4 50; 80; 100; 120 > 200 2400-2600 1,2 70

S&P Laminates CFK 150/2000 1,2; 1,4 50; 80; 100 > 150 2700-3000 1,65 70

Mapei Carboplate E170 1,4 50; 100; 150 170 > 3100 2 68

Mapei Carboplate E250 1,4 50; 100; 150 250 2500 0,9 65

Таблица 4

Физико-механические свойства некоторых типов холстовых материалов по _________________________данным производителя_________________________________

Торговая марка Тип волокна Прочность на растяжение, МПа Модуль упругости, ГПа Вес 1 м , г/м2 Толщи- на, мм Ширина, мм

S&P C Sheet 240 Углерод 3800 240 200, 300 0,117, 0,176 150, 300

S&P C Sheet 640 Углерод 2650 640 400 0,19, 0,176 300

S&P C Sheet 120 Арамид 2900 120 300 0,2 —

S&P C Sheet AR Стекло 1700 65 350 0,135 320

Sika Wrap Hex 230C Углерод 3500 230 230 0,13 610

Sika Wrap Hex 100G Стекло 2250 70 840 1270 —

Torayca UT70-20 Углерод 4090 230 200 0,111 100,250, 500, 1000

Torayca UT70-30 Углерод 4220 235 300 0,167 100,250, 500, 1000

Replark Углерод 3400 230 200 0,111, 0,167 250, 330, 500

Replark Углерод 2900 390 300 0,165 250, 330, 500

Replark Углерод 1900 640 300 0,143 250, 330, 500

Mbrace Tow Sheet Углерод 3550 235 300 0,11, 0,165 500

Mbrace Tow Sheet Углерод 3000 380 300 0,165 500

Mbrace Tow Sheet Стекло 1550 74 915 0,118 500

DML Composites Углерод 4900 230 150, 300, 900 — 300,500, 1500

DML Composites Стекло 3400 70 200, 250, 1200 — 350, 500

DML Composites Арамид 2800 115 200, 300 340 —

Kevlar® SRS Арамид 2100 120 280, 420 0,193, 0,286 100, 300, 500

Fosroc C 120 Углерод 2300 230 200 0,111 —

Fosroc C 530 Углерод 2300 375 300 0,166 —

Tyfo SCH-41 Углерод 3803 227,7 750 0,417 —

Россия Углерод 1200- 1400 100-400 230, 450 0,13, 0,25 —

3. Усиление конструкций композиционными материалами на основе углеродных волокон в полимерном связующем

Используемые для ремонта и усиления строительных конструкций композиционные материалы в полимерном связующем можно подразделить на две группы:

— формируемые непосредственно при производстве работ на строительном объекте;

— заводского изготовления.

Первая группа основывается на использовании тканей (холстов) с расположением волокон в одном (однонаправленные) либо в нескольких направлениях. Холсты поставляются в рулонах и применяются при так называемом «мокром» способе. Они наклеиваются на поверхность усиливаемой конструкции послойно с помощью специальных эпоксидных смол с пропиткой смолами каждого слоя. Композит формируется при отверждении смолы в естественных условиях.

Композиты второй группы (ламинаты) — жесткие. Они производятся в заводских условиях путем пропитки тканей полимерными составами с последующим формированием пакета из необходимого количества слоев ткани и протяжкой через систему валиков с прессованием и термообработкой до полного отверждения смолы. В результате получаются жесткие композиционные ленты (ламинаты).

Ламинаты изготавливают длиной до 250 м, шириной 5-15 см при толщине 1,2-1,5 мм. Их доставляют на объект свернутыми в рулон и разрезают на гильотинных ножницах или обрезной машиной на отрезки необходимой длины. Стоимость ламинатов значительно выше стоимости холстов, однако трудоемкость работ при их использовании может быть ниже, чем при «мокром» (послойном) способе усиления.

В то же время требуются большие дополнительные трудовые и материальные затраты на подготовку поверхности конструкции (выравнивание) перед наклейкой ламинатов. Возможности применения «мокрого» способа формирования композита шире, чем при использовании ламинатов, т.к. с помощью мягкой ткани (холстов) можно легко выполнять даже сложные пространственные формы с объемным перераспределением усилий в восстанавливаемых элементах конструкций.

Несмотря на высокую стоимость композитов, использование их для усиления строительных конструкций во многих случаях оказывается экономически целесообразным, т. к. работу можно выполнять без вывода сооружения из эксплуатации, при этом значительно сокращается трудоемкость производства, В ряде случаев усиление строительных конструкций композиционными материалами по совокупности затрат оказывается более эффективным, чем традиционными методами, например, металлическими пластинами, приклеиваемыми в растянутой зоне.

Сравнение композиционных материалов различных фирм показывает, что для каждой системы эквивалентные уровни напряжений могут быть обеспечены путем изменения ширины или количества уложенных слоев. Преимущество полос большой ширины при фиксированном усилении заключается в увеличении площади сцепления и соответствующем снижении контактных напряжений.

Ламинаты и холсты на основе углеродных волокон целесообразно использовать для усиления изгибаемых (балочных и плитных), внецентренно сжатых (колонн) конструкций, а материалы на основе стекловолокон — для усиления центрально сжатых конструкций (колонн, опор).

Успех применения композиционных материалов для усиления строительных конструкций зависит в значительной мере от качества подготовки основания под наклейку ламинатов и холстов. Это связано с выбором материалов и технологий для ремонта разрушенной поверхности железобетона, обеспечивающих высокую адгезию ремонтного слоя к «подложке». Ремонтный слой, в свою очередь, должен сам явиться надежным основанием для приклеивания усиливающих композиционных материалов и работать с ними совместно. Подготовка железобетонных конструкций к ремонту и последующему усилению должна включать мероприятия по блокированию процессов коррозии арматуры, которые, как правило, развиваются при первых признаках деструкции. Без надлежащей подготовки образующиеся продукты коррозии будут отрывать защитный слой из ремонтных материалов, что сведет на нет работы по приклеиванию композитов.

Подготовка бетонной подложки предусматривает удаление бетона в разрушенных зонах, очистку поверхности бетона и арматуры, обработку их специальными ингибиторами коррозии. Каверны и раковины заделываются высокопрочными быстротвердеющими ремонтными растворами. Прочность бетонной подложки на отрыв должна составлять не менее 1,5 МПа. Трещины с раскрытием более 0,2 мм должны быть заинъектированы эпоксидной смолой. Не-плоскостность поверхности при наклеивании ламинатов не должна превышать 2 мм на базе 2 м, при использовании холстов требования по неровности поверхности менее жесткие.

При выполнении работ по усилению железобетонных конструкций композиционными материалами используются три вида эпоксидных материалов:

— грунтовки, наносимые на подложку с помощью кисти или валика; они пропитывают поверхностный слой, укрепляя его;

— шпатлевки для заделки мелких неровностей подложки перед наклейкой элементов усиления;

— непосредственно адгезивные составы для приклеивания полос ламината или холстов.

Адгезионные составы наносят на основание тонким (не более 1 мм) слоем с помощью шпателя. В случае использования ламинатов адгезив наносят и на ленту, приклеиваемая поверхность которой должна быть перед этим тщательно очищена мягкой тканью, смоченной ацетоном. После этого ленту укладывают на основание (клей к клею) и прикатывают резиновым валиком. Избытки клея, выдавливаемые по краям ленты, тщательно удаляют. Приклеенный ламинат не должен подвергаться механическим воздействиям в течение суток (до затвердевания адгезионного состава).

При использовании холстов адгезив наносится только на подложку. После этого лента укладывается на бетонную поверхность и аккуратно вдавливается в клей с помощью шпателя или валика. Предпочтительно использование рифленых валиков, что способствует лучшему пропитыванию холстов при разделении волокон и выходу вовлеченного в адгезив воздуха. После прикатки осуществляется выдержка в течение 30 мин, после чего укладывается следующий слой адгезива и холста. При наклейке холстов на потолочную поверхность сроки выдержки приходится увеличивать для обеспечения набора клеем необходимой структурной вязкости. По завершении наклейки всех слоев на верхний наносится защитное покрытие.

Важнейшей проблемой внешнего армирования с приклеиванием усиливающих элементов на поверхность строительных конструкций является обеспечение их совместной работы. Необходимо предотвратить отрыв и проскальзывание армирующих элементов вдоль поверхности растянутой зоны и их отрыв по концевым участкам. Кроме того, опасно отделение армирующих элементов от поверхности конструкций в зонах критического трещинообразова-ния. Эти проблемы особенно существенны для пластинчатых армирующих элементов (ламинатов). Прочность их сцепления с поверхностью растянутой зоны иногда оказывается недос-

таточной. В этих случаях необходимо устройство специальной анкеровки, в т.ч. стальных анкеров. «Мокрый» способ с использованием холстов имеет в этом отношении существенные преимущества. Площадь сцепления такого композита с поверхностью конструкции может быть значительно развита. Так, для изгибаемых конструкций холсты, в отличие от ламинатов, могут быть приклеены не только по работающей на растяжение плоскости конструкции, но и выходить на вертикальные стороны балок, ригелей и т.п., обеспечивая достаточное сцепление без устройства специальных анкеров. Совместность работы элементов усиления с конструкцией может быть улучшена и посредством установки бандажей и хомутов из холстов.

Эффективность усиления композиционными материалами во многом зависит от прочности адгезива, его сцепления с бетоном. Отслаивание углепластиковых полос от бетона из-за недостаточной прочности адезива или слабого сцепления с бетоном, а также разрушение от сдвига по непрочному поверхностному слою бетона могут снизить эффективность усиления. Поверхностный слой не должен иметь трещин с раскрытием более 0,2 мм, а также легко отделяющихся частиц цементного камня и заполнителя. В силу указанного при проектировании усиления нельзя принимать в расчет величину максимальной прочности углепластика. Рядом исследователей предлагается за расчетное предельное состояние принимать условие достижения предельной расчетной величины сцепления адгезива с бетоном.

Кроме того, должны быть учтены коэффициенты надежности в зависимости от вида используемого композиционного материала и технологии его нанесения.

4. Результаты экспериментальных исследований работы изгибаемых железобетонных конструкций, усиленных композитными материалами

В научно-исследовательской лаборатории «Мосты» Сибирского государственного университета путей сообщения проводились исследования работы изгибаемых железобетонных конструкций, усиленных композитными материалами .

Сначала решалась задача по выявлению всех возможных схем разрушения усиленных железобетонных элементов. К испытаниям было подготовлено четыре группы образцов. В первую группу вошли неусиленные железобетонные балки серии «А» (рис. 2, а).

Рис. 2. Конструкции образцов

Во вторую группу — железобетонные балки, усиленные композитным материалом по нижним граням: серии «Б» — одним слоем шириной 50 мм; серии «В» — одним слоем шириной 100 мм; серии «Г» — одним слоем шириной 150 мм (рис. 1, б); серии «Д» — двумя слоями шириной 150 мм (рис. 1, в); серии «Е» — одним слоем шириной 150 мм с анкеровкой слоя Ц-образной обмоткой в приопорных зонах (рис. 1, г). В третью группу во шли железобетонные балки серии «Ж», усиленные одним слоем композитного материала в виде Ц-образной обоймы длиной 1400 мм (рис. 1, д), и железобетонные балки серии «З», усиленные одним слоем композитного материала шириной 150 мм по нижним граням и полосами на боковых гранях шириной 300 мм, наклеенными под углом 60° к продольной оси (рис. 1, е). В четвертую группу вошли балки серии «И» с трещинами раскрытием 1-1,2 мм, которые были образованы во время предварительных испытаний при нагружении до 8 тс, усиленные по нижним граням одним слоем композитного материала шириной 100 мм. Для каждой серии было подготовлено по три-четыре балки. Проектный класс бетона всех балок В30. Схема армирования балок приведена на рис. 1, а. Элементы арматурного каркаса расположены с учетом требований СНиП 2.05.03-84*. Для усиления балок была использована ткань из углеродных волокон Б1ка’^ар® 530 С(УР). Наклейку тканевых полотен на бетон осуществляли при помощи двухкомпонентного эпоксидного клея марки Б1каёиг®-330.

Деформации бетона и композитного материала измеряли при помощи съемных электронных индикаторов с ценой деления 0,001 мм, установленных на базе 260 мм, и тензомет-рических датчиков деформаций, установленных на базе 62 мм. Прогиб балки в середине про-

лета фиксировали на каждом этапе нагружения при помощи электронного индикатора и тен-зометрического датчика перемещения. Для определения величины местного обжатия бетона балок на опорах были установлены механические индикаторы с ценой деления 0,01 мм. Нагрузку прикладывали ступенями по 500 кг со средней скоростью нагружения 100 кг/мин. Значение испытательной нагрузки на балку фиксировали тензодинамометром (мессдозой) и по шкале пресса WPM-300. Тензодатчики входят в состав мобильного измерительного комплекса «Тензор-МС», разработанного в СГУПСе. На рис. 3 показан пресс WPM-300 с испытываемым образцом.

Рис. 3. Вид пресса ЖРМ-300 с испытываемым образцом

По результатам экспериментальных исследований удалось установить, что неусиленные образцы разрушались по сжатому бетону от действия изгибающего момента. Схемы разрушения усиленных балок существенно отличаются друг от друга:

1. Отслоение композитного материала в результате разрушения клея между вертикальными трещинами (рис. 4, а). Схема проявилась при разрушении элементов от действия изгибающего момента.

2. Отслоение композита в зоне образования наклонных трещин в результате разрушения клея (рис. 4, б). Схема проявилась при разрушении элементов от действия поперечной силы.

3. Отслоение композита с разрушением бетона защитного слоя рабочей арматуры (рис. 5, а). Схема проявилась при совместном воздействии изгибающего момента и поперечной силы.

4. Разрыв композита в зоне образования вертикальных трещин (рис.5, б). Схема проявилась при разрушении элементов от действия изгибающего момента.

а) б)

Рис. 4. Вид балок с трещинами

Рис. 5. Вид балок после испытаний

Несущая способность неусиленных образцов оказалась близка к 7 тс, и в зависимости от вида усиления она увеличивалась до 9…16 тс. На рис. 5 в качестве примера представлены графики изменения прогибов балок серии «А» и «Ж» под нагрузкой, построенные по показаниям мессдозы и тензометрического датчика перемещения. На графике «прогиб-нагрузка» неусиленных образцов серии «А» имеется две характерные зоны: зона роста упругих деформаций и зона роста неупругих деформаций при мало изменяющейся нагрузке (см. рис. 5, а). График усиленных образцов серии «Ж» на всем своем протяжении имеет нелинейный характер, располагающийся выше графика неусиленных образцов (см. рис. 5, б).

Как видно, усиление композитами начинает работать не сразу, а только после исчерпания железобетонным сечением способности работать упруго. До этого уровня влияние усиления композитами практически не сказывается на работе изгибаемой балки.

Усиление композитными материалами предварительно нагруженных образцов в среднем до 8 тс, с трещинами раскрытием не менее 1 мм, способствовало увеличению их несущей способности, при этом наличие старых трещин не оказывало влияния на общую несущую способность усиленных конструкций. Величины предельных нагрузок на неусиленные и усиленные образцы приведены в таблице 6.

Рис. 6. Графики изменения прогиба балок под нагрузкой

Для проверки возможности использования метода конечных элементов (МКЭ) для расчета усиленных железобетонных конструкций, а также для проверки исходных расчетных предпосылок были сопоставлены экспериментальные данные с данными расчета МКЭ.

Для решения поставленной задачи в программном комплексе АКБУБ были разработаны конечно-элементные модели (КЭ-модели) испытанных балок (см. рис. 7). В КЭ-модели бетонное тело конструкций балок было разбито на объемные конечные элементы 80ЬГО65 (см. рис. 7, а). Арматуру балок моделировали стержневыми конечными элементами ЬШК8 (см. рис. 7, б), композит — слоистыми объемными конечными элементами 80ЬГО46 (см. рис. 7, в).

Рис. 7. КЭ-модель балки, усиленной композитным материалом

Элемент SOLID65 имеет возможность образовывать трещины при растяжении и разрушаться от сжатия. Элемент LINK8 способен воспринимать растяжение и сжатие, имеет свойства пластичности. В КЭ-моделях связь между конструктивами была принята идеальной. Узлы элементов арматуры LINK8 и композита SOLID46 объединялись с узлами элементов SOLID65. Принятая в расчетах диаграмма деформирования бетона приведена на рис. 8, а. На участке диаграммы 0-1 зависимость между напряжениями и деформациями в бетоне принята по формуле (1), а на участке 0-2 по формуле (2).

sb = Ebe(1 -w), (1)

sb = Ebe,

(2)

где Еь — начальный модуль упругости бетона; ю — функция пластичности, характеризующая пластические свойства бетона. Функция пластичности для бетона принята в виде:

w=

Ebe

4R

(3)

bn

где R

bn

нормативное сопротивление бетона сжатию.

Диаграмма деформирования рабочей арматуры была принята в виде диаграммы Пран-дтля (рис. 8, б). На участке диаграммы 0-1 напряжения в арматуре определялись по закону Гука, участок 1-2 соответствует площадке текучести, для которой о., = Я3„. Диаграмма деформирования композита была принята в соответствии с законом Гука.

б)

Рис. 8. Диаграмма деформирования бетона и арматуры

В таблице 5 приведены экспериментальные и расчетные значения несущей способности испытанных балок.

Таблица 5.

Предельные нагрузки на балки, полученные по результатам эксперимента и расчета

Серия № Л/, см2 Несущая способность Отклонение экспериментальных данных от результатов расчета МКЭ, %

Эксперимент Расчет МКЭ

Р, тс (кН) Р, тс (кН)

А 1 0,00 6,59 (64,65) 6,45 (63,27) -2,12 -8,07

2 7,09 (69,55) 6,45 (63,27) -9,03

3 7,42 (72,79) 6,45 (63,27) -13,07

Б 1 0,5 10,53 (103,30) 9,12 (89,47) -13,39 -4,02

2 9,15 (89,76) 9,12 (89,47) -0,33

3 8,81 (86,43) 9,12 (89,47) +3,52

4 9,69 (95,06) 9,12 (89,47) -5,88

В 1 1,00 10,26 (100,65) 10,40 (102,02) +1,36 -4,03

2 10,30 (101,04) 10,40 (102,02) +0,97

3 11,62 (113,99) 10,40 (102,02) -10,50

4 11,30 (110,85) 10,40 (102,02) -7,96

Г 1 1,5 12,27 (120,37) 11,42 (112,03) -6,93 -12,09

2 12,77 (125,27) 11,42 (112,03) -10,57

3 14,06 (137,93) 11,42 (112,03) -18,78

Д 1 3,00 12,42 (121,84) 11,54 (113,21) -7,09 -12,59

2 12,99 (127,43) 11,54 (113,21) -11,16

3 14,34 (140,68) 11,54 (113,21) -19,53

Е 1 1,5 12,51 (122,72) 11,76 (115,37) -6,00 -11,32

2 13,33 (130,77) 11,76 (115,37) -11,78

3 14,03 (137,63) 11,76 (115,37) -16,18

Ж 1 3,00 16,45 (161,37) 13,41 (131,55) -18,48 -12,94

2 14,61 (143,32) 13,41 (131,55) -8,21

3 15,26 (149,70) 13,41 (131,55) -12,12

З 1 1,5 14,62 (143,42) 12,58 (123,41) -13,95 -10,46

2 14,23 (139,60) 12,58 (123,41) -11,60

3 13,36 (131,06) 12,58 (123,41) -5,84

Примечание. Л/ — площадь волокон композитного материала в середине пролета балок; Р — несущая способность балок.

ЛИТЕРАТУРА

I. Шилин А. А., Пшеничный В. А., Картузов Д.В. Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. М.: Стройиздат. 2004. 139 с.

2 CNR-DT. 200/2004. Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP. Systems for Strengthening Existing Structures. Rome. 2004, 144 p.

3. Guide for Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures. ACI 440.2R-08. American Concrete Institute.

4. СТО 2256-002-2011. Стандарт организации. СИСТЕМА ВНЕШНЕГО АРМИРОВАНИЯ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ FibARM ДЛЯ РЕМОНТА И УСИЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИИ. Общие требования. Технология устройства. Москва 2011.

5. Рекомендации по расчету усиления железобетонных конструкций системой внешнего армирования из полимерных композитов fibARM. ОАО НИЦ Строительство (НИИЖБ). Лаборатория теории железобетона и конструктивных систем.М.2012. 29 с.

6 Бокарев С. А., Смердов Д.Н. Экспериментальные исследования изгибаемых железобетонных элементов, усиленных КМ // Известия Вузов. Стр-во. 2010, №2, с. 112-124.

7 Белан Е.С., Смердов Д.Н., Яшнов А.Н. Составные конструкции железобетонных пролетных строений и методы их расчета // Современное состояние и инновации транспортного комплекса. Материалы Междунар. научн.-техн. конф. Пермь. Изд-во ПГТУ. 2009, т.2. С. 4956.

8.СНиП 2.05.03-84* Мосты и трубы / Госстрой СССР. М. ЦИТП Госстроя СССР. 1985.

220 с.

9.Гапонов В.В. Экспериментальные исследования усиления плит перекрытия коллекторных тоннелей сетками из углеродных волокон в матрице на минеральной основе// Журнал Промышленное и гражданское строительство. 2011. — №11. — С. 69-71.

10.Гапонов В.В. Усиление изгибаемых железобетонных конструкций подземных сооружений композиционными материалами// Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2011. — №12. — С.238-246.

II.Шилин А. А., Пшеничный В. А., Картузов Д.В. Внешнее армирование железобетонных конструкций композиционными материалами. — М., ОАО «Издательство «Стройиздат», 2007. 181 с.

12.Шилин А. А. Ремонт железобетонных конструкций. — М., Изд-во «Горная книга», Стройтехиздат, 2010. 520 с.

13. СТО 13613997-001-2011. СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Зика Россия. 2011. 55 с.

14. Рекомендации по расчету усиления железобетонных конструкций системой внешнего армирования из полимерных композитов FibARM. М. НИИЖБ. 2012. 29 с.