Введение
В настоящее время проблема усиления строительных конструкций остается весьма актуальной, т. к. объем зданий, которым требуется реконструкция, растет – это дома советской застройки, промышленные сооружения, памятники архитектуры и даже новые здания, не соответствующие современным требованиям.
Усиление конструкций выполняется с целью восстановления или увеличения их несущей способности, которая могла быть утрачена вследствие износа в процессе эксплуатации конструкций, перегрузок, агрессивного воздействия окружающей среды, ошибок при проектировании, увеличении эксплуатационных нагрузок и т. д.
Теория и практика усиления железобетонных конструкций началась с классического метода – наращивания сечений. Такой метод реализуется без изменения расчетной схемы, а называется классическим, так как выполняется с использованием стали и бетона.
Согласно СП 427.1325800.2018 «Каменные и армокаменные конструкции. Методы усиления» в данный момент существует множество различных способов вернуть работоспособность ослабленным или изношенным конструкциям.
В данной работе будет приведен сравнительный анализ трех наиболее популярных на данный момент методов усиления вертикальных железобетонных конструкций с выявлением их достоинств и недостатков.
На данный момент, в соответствии с [1, с. 50-52; 2, с. 80-88; 3, с. 7-9], самыми популярными методами усиления вертикальных несущих конструкций являются: устройство железобетонных или металлических обойм и усиление композитными материалами.
Усиление железобетонной обоймой
Этот метод, зарекомендован как наиболее дешевый способ увеличения несущей способности конструкций. Его суть заключается в добавлении арматуры к уже существующей конструкции путем наращивания сечения.
Схема усиления колонны железобетонной обоймой показана на (рис. 1).
Рис. 1. Схема усиления колонны железобетонной обоймой
Обоймы выполняют толщиной 6–10 см и обычно с использованием инвентарной опалубки. Мелкозернистый бетон подается через инъекционную трубку, завершение подачи фиксируется по контрольным отверстиям с противоположной стороны от места нагнетания.
Продольные арматурные стержни могут располагаться самостоятельно или быть приварены к арматуре усиливаемой колонны.
Поперечное армирование представляет собой хомуты, шаг которых 5–15 см.
При усилении этим способом важно обеспечить сцепление бетона с усиливаемой поверхностью, т. к. это напрямую влияет на прочность конструкции, а также соблюдение защитного слоя согласно СП 63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции». Для улучшения адгезии применяют адгезионные обмазки, делают насечки на усиливаемой колонне и т. д.
Несмотря на надежность данного способа усиления конструкций, он обладает рядом недостатков: самая высокая трудоемкость работ из всех методов усиления конструкций, не всегда допустимо увеличение сечения конструкции, необходимость ожидания набора прочности бетона. Также при усилении железобетонной обоймой существенно вырастает нагрузка на перекрытие, контур продавливания может увеличиться, а пирамида продавливания смещается к краю обоймы, что может привести к образованию трещин в перекрытии.
Расчет усиления железобетонной обоймой выполняется согласно СП 349.1325500.2017 «Конструкции бетонные и железобетонные. Правила ремонта и усиления».
Эти недостатки послужили стимулом для поиска менее трудоемких методов усиления. В данный момент вышеописанный способ усиления теряет свою популярность, хотя и остается одним из самых надежных.
Усиление металлической обоймой
Суть метода заключается в установке обоймы, которая изготовлена из расположенных вдоль конструкции стальных уголков и поперечных пластин, приваренных к ним. Это позволяет значительно увеличить жесткость и несущую способность усиливаемой конструкции.
Схема усиления колонны металлической обоймой показана на (рис. 2).
Рис. 2. Схема усиления колонны металлической обоймой из уголков: 1 – усиливаемая колонна; 2 – обойма из уголков; 3 – упоры из уголков; 4 – соединительные планки
Данный метод применяется, когда недопустимо уменьшать пространство помещений, а также необходимо сократить сроки проведения работ.
Для успешного применения данного метода существует необходимость в обеспечении плотного прилегания стальных уголков к граням усиливаемой конструкции. Поэтому необходимо выровнять бетон в местах примыкания уголков, убрать выпуклости и заполнить углубления цементным раствором.
Главный недостаток данного метода – низкая огнестойкость стальной обоймы, из-за чего возникает необходимость защиты таких конструкций от действия высоких температур – облицовка негорючими материалами, нанесение на поверхность металла огнезащитных покрытий и т. п.
Расчет усиления стальной обоймой выполняется согласно СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции».
На данный момент усиление металлической обоймой самый распространенный и универсальный метод, хотя и существенно дороже железобетонной обоймы.
Усиление с помощью композитных материалов
В данный момент времени создано множество композитных материалов, по прочности не уступающих стали. Для усиления железобетонных конструкций в основном используют композитные материалы на основе угле-, стекло- и арамидных волокон.
В литературе такие материалы обозначаются – ФАП (фибро-армированные пластики).
Сегодня наибольшим спросом при усилении строительных конструкций пользуются композитные материалы на основе углеволокон.
В зависимости от вида усиливаемых конструкций композитные материалы выпускаются в виде тканей различного плетения, из нескольких слоев которых изготавливают холсты, а также полосы (ламинаты).
Монтаж производится путем приклеивания холстов или ламинатов при помощи эпоксидного клея на увлажненную железобетонную конструкцию.
Усиление сжатых конструкций рекомендуется выполнять всей высоте в виде обертывания холстами. Стык композитных материалов необходимо выполнять внахлест, величина которого указана заводом-изготовителем.
Принципиальная схема усиления колонны композитными материалами показана на (рис. 3)
Рис. 3. Принципиальная схема усиления колонны композитными материалами
Особое внимание следует уделить подготовке поверхности усиливаемой конструкции. Требования к конструкции и расчет усиления композитными материалами описаны в [4, с. 6-34], а также в СП 164.1325800.2018 «Усиление железобетонных конструкций композитными материалами».
Согласно российским [5, 6] и зарубежным [7, с. 63-70; 8, с. 50-58] исследованиям, этот перспективный метод обладает рядом преимуществ, такими как: минимальное изменение веса конструкции после усиления, наименьшие трудозатраты, долговечность композитного материала, отсутствие коррозии, не уступают стали по механическим показателям, возможность усиления в труднодоступных местах конструкций.
Эффективность данного метода усиления доказана исследованиями и испытаниями в [9, 10, 11].
Несмотря на множество преимуществ, метод имеет два серьезных недостатка: необходимость защиты композитного материала от огня и очень высокая стоимость. И если первый недостаток можно нивелировать, проведя мероприятия по повышению огнестойкости конструкции, то второй недостаток сильно тормозит применение этого способа усиления. На данный момент в Российской Федерации не так много производителей композитных материалов, а некоторые из материалов доступны к покупке только за рубежом, что и обуславливает их высокую стоимость.
В исследовании [12] вычислили, что стоимость усиления таким способом в 7 раз дороже усиления стальной обоймой и в 32 раза дороже усиления железобетонной обоймой.
Часто экономически нецелесообразно применять метод усиления композитными материалами, т. к. его слишком высокая стоимость нивелирует большинство преимуществ.
Заключение
Выбор оптимального метода усиления зависит от конкретных условий и требований: стоимости, доступности, сроков выполнения, а иногда и эстетической составляющей.
Все рассматриваемые методы усиления вертикальных сжатых конструкций имеют свои преимущества и области применения, но в целом классические методы сохраняют свою привлекательность благодаря приемлемой стоимости и высокой эффективности. При необходимости наиболее быстрого и простого производства работ, невозможности увеличения сечения, а также на труднодоступных участках конструкций, применим метод усиления композитными материалами, несмотря на их высокую стоимость.
