V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Актуальность темы.

В последние 10-15 лет в России значительно увеличился объем работ по реконструк­ции (в т.ч. реставрации и капитальному ремонту) зданий различного назначения с целью продления жизненного цикла существующих объектов и приведения конструкций зданий в соответствие с требованиями современных нормативных документов как в части проч­ности, так и повышения их энергоэффективности.

Многочисленные факторы в ходе эксплуатации зданий и сооружений (особенно промышленных) приводят к ускоренной конструктивной деградации строительных конструкций. Особенно это явление наблюдается у железобе­тонных конструкций, вследствие их композитной основы. Как показывает практика, одной из главных причин интенсивной конструктивной деградации железобе­тонных конструкций, являются коррозионные повреждения. Данные повреждения, соответственно, обусловлены дефектами при изготовлении (уменьшение защитного слоя бетона), утратой защитных свойств бетона по отношению к арматуре из-за процесса карбонизации или повреждения. Коррозионные повреждения сильно сни­жают ресурс, а также долговечность железобетонных конструкций, что в свою очередь ведет к снижению безопас­ности эксплуатации строительных объектов.

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

Причины усиления конструкций.

Основные случаи, когда возникает необходимость в усилении конструкций:

• Общее неудовлетворительное техническое состояние объекта, что требует обязатель­ного незамедлительного ремонта в целях его дальнейшей безопасной экс­плуатации. Одним словом — это усиление объектов, характеризующихся низ­кой прочностью.

• Объект находится в хорошем общем техническом состоянии, конструкции сохра­няют относительно высокую прочность, но требуется произвести их усиление в связи с увеличением действующих или перспективных нагрузокпо сравне­нию с заложенными в проекте.

• Усиления конструкций, связанные с изменением функций объекта, его отдель­ных конструкций или элементов, а также с перестраиванием или модерниза­цией здания.

Основные методы усиления конструкций. Методы усиления конструкций можно разделить на две основные группы:

1) Активные методы:

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

• Монтаж добавочных усиливающих элементов – например, добавочных несущих ба­лок.

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

• Обжатие конструкции - обычно внешними канатами.

2) Пассивные методы:

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

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

• Наклеивание композитных лент и композитных панелей.

Усиление строительных конструкций композитными материалами.

Самыми современными методами, успешно применяемыми на практике в России и за рубежом, являются: применение внешнего обжатия напряженной арматурой и наклеи­вание композитных лент и композитных панелей. Этот пассивный метод — усиление композиционными материалами — является бесспорным инновационным достижением в области строительных технологий, работая в течение двух десятилетий по всему миру. Композитные системы усиления показывают отличные результаты как в реальной работе при обычных условиях, так и в зонах сейсмической активности. Преимущество метода, отличающее его от всех остальных — простота и исключительно малая трудоемкость.

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

Углеволокно – это высокопрочный, высокомодульный, линейно упругий материал, и абсолютно стойкий ко всем агрессивным средам. Он представлен в виде композитных тканых материалов (холстов) и ламелей (лент). Усиление композитными материалами относится к разряду внешнего армирования. Это связано с тем, что данные материалы монтируются на конструкции с помощью монтажного эпоксидного клея непосредственно на месте произ­водства работ. Монтажный клей и углеволокно сразу включаются в работу, компенсируя дефицит сечения арматуры. Иногда углеволокно служит дополнительной рабочей арматурой. Подобная система эффективно обеспечивает тре­буемую несущую способность восстановленных конструкций и при этом в разы возрастают межремонтные сроки и значительно повышается ресурс строительных конструкций.

Достоинства данной системы внешнего армирования композитными материалами:

- высокая предельная прочность углеволокна на разрыв;

- отсутствие коррозии;

- вы­сокий предел выносливости;

- минимальные нагрузки на восстанавливаемые конструкции;

- быстрота и легкость монтажа элементов усиления;

- сохранение эстетического облика уси­ливаемых элементов конструкций.

Технически и технологически данный метод эффек­тивнее традиционных способов усиления с помощью, например, стальных обойм. Для обеспечения расчетной совместной работы стальной обоймы с усиливаемым элементом требуется включить элементы обоймы в работу, что достигается путем создания в обойме усилий пред­напряжения с помощью нагрева хомутов и применения расширяющихся растворов. Обоймы из углехолста или ламелей включаются в работу усиливаемого элемента просто во время его монтажа через клеевой слой. Данный способ позволяет сразу включать элементы усиления в работу, не нарушая при этом целостности конструкций, ис­ключить огневые работы, а также значительно увеличить сопротивление конструкций ударным и динамическим нагрузкам. Кроме того углеродные волокна в 10 раз прочнее и в 5 раз легче стали.

Области применения систем усиления из композитов.

Композиционные системы усиления, защиты и ремонта применяются практически для всех видов конструкций:

• бетонных и железобетонных,

• металлических — в т.ч. стальных и алюминиевых,

• деревянных,

• кирпичной/каменной кладки.

Обеспечивают целый спектр потребностей жизнеобеспечения:

• усиление конструкций,

• баллистическая защита стен и защита от взломов,

• защита проводов и кабелей от повреждений,

• увеличение трещиностойкости,

• сопротивления конструкций срезу, поперечной силе и прогибу,

• усиление стен, мест стыков колонн, подпорных элементов.

Способствуют восстановлению после повреждений и усилению конструкций, утратив­ших свою прочность и непригодных к проектным нагрузкам вследствие:

• неправильного проектирования и эксплуатации,

• чрезмерных нагрузок,

• времени.

На рис.1-4 продемонстрированы примеры усилений различных конструктивных элементов лентами из углеродных волокон

Рис. 1. Принципиальное решение приопорного узла при усилении перекрытия

в зоне отрицательного момента

Рис. 2. Схема усиления: а – прямоугольного проема, б – арки.

Рис. 3. Схема усиления балки: а – приопорная зона, б – пролет, в – периодическая анкеровка продольных лент

Рис. 4. Усиление кирпичной стены

В целом композиционные системы усиления состоят из специально подобранных во­локон и смол, которые, работая вместе, — и создают высокотехнологичные компо­зиты. Углеродные, стеклянные или арамидные армирующие волокна в комбинации с вы­сококачественными смолами работают как высокопрочная система усиления, а многообразие композитов дает возможность находить технологические решения любых сложных задач непосредственно для каждого отдельно взятого объекта.

Вывод.

Резюмируя вышеизложенное, можно однозначно констатировать, что применение композитных материалов к восстановлению эксплуатационной пригодности строительных конструкций позволяет стабилизировать коррозионные процессы, обеспечить норми­руемую несущую способность конструкций. Все это, в свою очередь, может положить начало новому направлению реконструкции железобетонных инженерных сооружений, обеспечиваю­щему существенное сокращение трудоемкости, сроков и эксплуатационных расходов при регламентированном уровне безопасности эксплуатации зданий и сооружений.

Литература

1. Шилин А.А., Пшеничный В.А., Картузов Д.В. Внешнее армирование железобе­тонных конструкций композиционными материалами. М., 2007.

2. Руководство по усилению железобетонных конструкций композитными материа­лами. ГУП «НИИЖБ», ООО «ИнтерАква». М., 2006.

3. Грановский А.В. Сейсмостойкость стен, усиленных композитными материалами. С.-Петербург, 2011.

Код для цитирования: Скопировать