Посилення залізобетонних конструкцій: поняття, визначення, розрахунок, технічні характеристики, класифікація та дотримання вимог Госту

В будівництві та на великих виробництвах залізобетонні конструкції часто грають ключову роль, виконуючи функції каркасів, перекриттів і функціональних платформ різних будівель. На них припадають багатотонні навантаження, що діють як в статичному, так і динамічному режимах. З плином часу напруга не може не позначатися на стан споруди. Як результат, потрібно посилення залізобетонних конструкцій тим чи іншим способом. Конкретна методика проведення подібних операцій залежить від умов експлуатації об'єкта, техніко-фізичних параметрів і планувальних вимог.

Що являє собою посилення ЖБ-конструкцій?

Для початку слід визначитися з тим, що таке в принципі залізобетонна конструкція. У капітальному будівництві це частина споруди, приймає на себе підвищені експлуатаційні навантаження. Основу конструкції формує бетонна структура, а як її базового посилення використовуються арматурні прути. При цьому посилення і відновлення залізобетонних конструкцій може проводитися комплексно і частково. Якщо діагностикою була виявлена дефектна зона на поверхні, то ремонт буде стосуватися в першу чергу цієї частини, хоча попередньо повинні бути досліджені причини руйнування, які можуть обґрунтувати та доцільність реконструкції вже інших ділянок конструкції.


Що ж мається на увазі під посиленням як таким? Це технічна операція в будівництві, завдяки якій продовжується експлуатаційний термін будівель та окремих конструкцій зокрема. Існують різні методи ремонту і підсилення залізобетонних конструкцій. Усі вони різною мірою передбачають вирішення наступних завдань:

Нарощування міцності вузлів і несучих компонентів конструкції за рахунок включення нових елементів. В якості останніх можуть виступати балки, перемички, консольні деталі, ребра жорсткості і т. д.

Розвантаження або перерозподіл маси, яка впливає на залізобетонну основу. У даному разі порушується пристрій конструкцій, які механічно впливають на цільову область зміцнення. Розвантаження дозволяє знизити вимоги до посилення ЖБ-конструкції.

Підвищення базових характеристик об'єкта і його елементів шляхом заміни.

Коли необхідно виконувати посилення ЖБ-конструкцій?

Ще на етапі зведення каркасу в відповідності з майбутніми навантаженнями підбираються технічні рішення і будматеріали з розрахунком на довгострокову експлуатацію. З часом, в силу різних факторів технічний стан споруди погіршується і виникає потреба у підтримці його відповідальних елементів. Повноцінне посилення залізобетонних конструкцій слід виконувати у наступних випадках:

Втрата розрахункової міцності через старіння і втоми матеріалів. Особливо це стосується бетонної структури, яка піддається хімічним негативних впливів і природним механічних навантажень.

Перепланування будівлі, в результаті якої змінюється конфігурація несучих стін, балок, колон, ферм і консолей. Може знадобитися нарощування міцності або розвантаження маси на опорних точках конструкції.

Зміна поверховості. Також відбувається перерозподіл ваги за колон, перекриттів і стін, що вимагає перегляду і несучої здатності елементів споруди.

Грунтові зрушення, які або вже деформували, або змінили конфігурацію впливу на фундамент, а отже, і на несучі вузли каркасу. Також потрібно відновлення силового балансу між конструкціями.

Руйнування або часткове пошкодження несучих частин або окремих елементів із-за аварій, стихійних лих, землетрусів, техногенних катастроф.

При виявленні помилок, допущених на етапі проектування або вже виявлених в процесі експлуатації будівлі.

У даному разі розглянуто основні і найбільш поширені причини, які спричиняють необхідність посилення залізобетонних конструкцій тим чи іншим способом. Конкретний характер зносу або пошкодження повинен визначатися в процесі комплексного обстеження, на основі якого розробляється проект зміцнення конструкції і підбирається оптимальний спосіб його здійснення.

Діагностика і дефектовка конструкції

Технічне обстеження проводиться у відповідності з графіком або позапланово при явних ознаках руйнування будівлі. Цю частину заходів регулюють нормативи неруйнівного контролю за ГОСТ 22690 і 17624. Оцінка за результатами обстеження виноситься у відповідності зі зводом правил (СП) про посилення залізобетонних конструкцій під номером 6313330. Діагностичні процедури починаються з візуального огляду, в процесі якого виявляються зовнішні пошкодження, дефекти, сколи, тріщини і т. д. Для виявлення прихованих пошкоджень використовують методи неруйнівного контролю. Подібні задачі вирішуються за допомогою спеціального обладнання, наприклад, з допомогою електромагнітних або ультразвукових апаратів дефектоскопів. Зокрема, саме для дефектовки залізобетону частіше застосовують ультразвукові прилади, що працюють георадиолокационным і ехо-імпульсним методом. У процесі обстеження можуть виявлятися порожнечі, наявність в структурі агресивних компонентів, руйнування армуючих стрижнів, сліди корозії і т. д.
На основі отриманих даних виробляється подальша стратегія усунення пошкоджень, ремонту, відновлення або перерозподілу навантажень. На цьому ж етапі дефектологи можуть дати рекомендації щодо посилення залізобетонних конструкцій з урахуванням специфіки пошкоджень, які можуть зафіксувати лише інструменти неруйнівного контролю. Важливу роль у визначенні способів зміцнення конструкції будуть грати і конкретні техніко-фізичні параметри, на яких експлуатується споруда.

Технічні характеристики посилення

Параметри засобів посилення можуть змінюватися в залежності від конфігурації програми додаткового зусилля і конкретних вимог до підтримки конструкції. Найбільш поширені характеристики – це модуль пружності засоби підтримки і міцність на розтяг. Так, оптимальне посилення залізобетонних конструкцій композитними матеріалами в середньому забезпечує пружність в діапазоні 70000-640000 МПа та показники міцності на розтяг – від 1500 до 5000 МПа. Зрозуміло, необов'язково в кожному випадку прагнути до максимальних показників. Вибір конкретного мощностного потенціалу елементів підтримки і зміцнення залежить від поточного стану ЖБ-конструкції.

Що стосується розмірних параметрів, то вони будуть залежати від схеми зміцнення, яка складається на основі планувального рішення. Наприклад, фрагментарне посилення залізобетонної плити може виконуватися за рахунок додаткової підтримки безбалочного монолітного модуля товщиною 300 мм Зміцнюють колони зазвичай мають середнє перетин 400х400 мм і розставляються під перекриттям з кроком 5-75 м. Відстані прольотів визначається напружено-деформованим станом перекриттів і несучих стін. У комплексному вигляді, наприклад, посилення залізобетонних конструкцій вуглеволокном може мати наступні технічні характеристики:

Товщина елемента – 03 мм.

Ширина – 300 мм

Маса – 500 г/м 2 .

Модуль пружності – 230000 Н/мм 2 .

Щільність – 17 г/см 3 .

Показники міцності на розтяг – 4000 Н/мм 2 .

Міцність на зріз конструкції – 7 Н/мм 2 .

Міцність на стиск матеріалу – 70 Н/мм 2 .

Деформація при розриві конструкції – 16 %.

Адгезія композитного волокна до бетонної структурі – 4 Н/мм 2 .

Модуль Юнга – 400 Н/мм 2 .

Специфіка використання сучасних композитних матеріалів обумовлена тим, що суттєву роль в монтажних операціях з ними грає клейовий склад. Часто він виступає в якості самостійного заделочно-відновного засоби зміцнення бетонної конструкції. Наприклад, епоксидні склади цілком можуть виконувати функції закладення технологічних швів і стиків.

Нормативні вимоги

У процесі розрахунку, проектування та виконання монтажних робіт слід орієнтуватися на кілька Гостів, серед яких - 3193722690 і 28570. Ці документи різною мірою регулюють заходи з технічного обслуговування і реконструкції будівель і споруд. Також необхідно враховувати нормативи документа СП 6313330 в якому даються конкретні вказівки по організації та виконанню ремонтно-відновлювальних заходів, що стосуються в тому числі посилення залізобетонних конструкцій композитними матеріалами. СП 1641325800 також допоможе у використанні інших пластикових і скловолоконних матеріалів для армування. Загальні нормативні правила, на які варто орієнтуватися, виглядають наступним чином:

Розробка проекту посилення повинна проводитися тільки на основі даних натурного обстеження конструкцій.

До моменту розрахунку за матеріалами і конфігурації монтажних робіт повинні бути підготовлені відомості про розміри цільового об'єкта, його стан, способи армування, міцності бетону і т. д.

Після обстеження виноситься принципове рішення про допустимість конструкції до ремонту з подальшою експлуатацією.

Армуючі заходи слід проводити так, щоб композитні волокна або металеві стрижні забезпечували спільну навантажувальну роботу з бетонної структурою.

Не допускається виконувати посилення конструкцій, в яких спостерігаються вогнища корозійного пошкодження.

В процесі підготовки проекту важливо розрахувати і необхідність забезпечення додаткових захисних властивостей матеріалу, наприклад включити в структуру вогнетривкі або вологостійкі покриття.

Допомоги по підсилення залізобетонних конструкцій

Поряд з правилами, що регулюють сферу ремонту та відновлення будівельних конструкцій, буде незайвим спочатку підготувати і базу методичних матеріалів, які допоможуть практично вирішити поставлені завдання. На сьогоднішній день існує чимало наочних інструкцій, які покроково і наочно описують технології застосування конкретних способів реконструкції тих чи інших споруд. Наприклад, ТОВ «Интераква» і «НИИЖБ» пропонують комплексне керівництво щодо посилення залізобетонних конструкцій композитними матеріалами на базі зводу правил СП 52-101-2003. У матеріалі дається опис вибору конструкційних рішень, принципів розрахунку зміцнення стін і перекриттів, а також технологічні методи застосування вуглецевих деталей. Якщо ж мова йде про промислових об'єктах, то можуть застосовуватися вузькоспеціалізовані посібники, в яких робиться акцент і на особливих умовах експлуатації споруд. Зокрема, ТОВ «Далекосхідний Промбудндіпроект» пропонує інструкцію щодо посилення залізобетонних конструкцій серії 14001-18. В даному матеріалі висвітлюються нюанси зміцнення несучих стін і перекриттів в структурі виробничих будівель.

Розробка проекту підсилення конструкцій

Головне завдання цього етапу полягає в реченні конкретного технічного рішення для реалізації зміцнення структури цільового об'єкта. У процесі розробки фахівці керуються даними про характеристики матеріалів конструкції, їх геометричних параметрів, умов експлуатації і наявні ушкодження. На даний момент вироблені наступні принципи проектування підсилення залізобетонних конструкцій:

Взаємопов'язаність компонентів. Частою помилкою, яка зустрічається при будівництві, є розгляд робочого ділянки в ізольованому форматі. Тобто несуча стіна, приміром, буде розраховуватися за прямим навантажень на неї без акценту на ближні фактори впливу. На ділі ж якісну і довговічну систему можна спроектувати тільки при комплексному обліку всіх факторів експлуатації.

Оптимізація. Завдання посилення конструкцій можуть вирішуватися різними шляхами, і практично в кожному випадку знайдеться рішення, яке дозволить об'єкту зберегти високий робочий ресурс. Але при цьому бажано прагнути до мінімізації обсягів робіт, масі допоміжних підтримують деталей і раціоналізації використання матеріалів. Чим нижче ступінь втручання в структуру споруди, тим вище його надійність. До речі, мінімізувати обсяги включення чужорідних елементів як раз дозволяють сучасні технології підсилення залізобетонних конструкцій композитними матеріалами, які мають менший розмір і вага у порівнянні з металевими аналогами.

Економічна раціоналізація. Навіть якщо є можливість використовувати великі фінансові ресурси при здійсненні проекту посилення, важливо враховувати, що складні і масивні технічні рішення завжди вимагають і більших витрат вже в процесі техобслуговування при експлуатації споруди.

Відповідність встановленим вимогам. Кожен етап проектування повинен враховувати і загальні нормативні правила, і конкретні вимоги техніко-конструкційного пристрої стосовно цільового будівлі.

Правила розрахунку підсилення залізобетонних конструкцій

Технічний розрахунок конструкцій – основа проектувальних робіт, в ході якої співвідносяться фактичні навантаження з силовими потенціалами матеріалів, використовуваних для посилення. Вихідні дані для комплексного розрахунку беруться з схеми конструкції, її розмірів, діючих навантажень і характеру пошкодження. Окремими статтями в оцінці матеріалів для посилення залізобетонної конструкції виступають розрахункові показники по міцності на стиск, висоті зони стиснення, стійкості по похилих перерізів і т. д. Основною величиною конструкції, яка визначає здатність справлятися з фактичними навантаженнями, буде момент максимального вигину. Для його розрахунку використовуються коефіцієнти надійності за матеріалом і навантаженні. Також визначається характер розподілу ушкоджень по перетину конструкції з урахуванням ступеня її пружності. Якщо початковий максимальний момент вигину перевищує процес тріщиноутворення по перерізу, то розрахунок повинен виконуватися як для перерізу з тріщинами без урахування потенціалу для розвитку деформації. У розрахунках застосовуються і постійні величини цільових матеріалів для підсилення конструкцій. Сучасні керівництва щодо посилення залізобетонних конструкцій, зокрема, спираються на наступні показники:

Міцність – діапазон від 1000 до 1500 МПа, але не менше.

Модуль пружності – від 50 до 150 ГПа.

Температура склування (використовується для композитів) – не менше 40 °С.

Розмірні параметри і монтажна конфігурація визначаються в індивідуальному порядку стосовно до конкретної конструкції.

Класифікація методів посилення

Сучасні технології дозволяють використовувати широкий перелік засобів технічного укріплення різних конструкцій, підлаштовуючись під конкретні умови експлуатації. На базовому рівні варто розділити всі способи підсилення залізобетонних конструкцій за ознакою фізичного стану. Зокрема, можна виділити рідкі, ткані та твердотільні елементи. У першому випадку зміцнення буде виконуватися за методом закладення зовнішніх пошкоджень. Це може бути і усунення тріщин за допомогою піщано-цементного розчину та герметизація стиків клейовими будівельними сумішами. Тканинні матеріали використовуються рідше і здебільшого в якості армуючого кошти, яке накладається на ділянку заливки тими ж зміцнюючими розчинами. Що стосується твердотілих елементів, то вони являють собою конструкційні деталі, які тим чи іншим способом інтегруються або накладаються на пошкоджену структуру. У даному випадку методи підсилення залізобетонних конструкцій можна розділити за типом використовуваного матеріалу (метал, композити, камінь), і за монтажною конфігурації. Найбільш популярним способом зміцнення твердотільними виробами є поясний армування, при якому профільні накладки затискають пошкоджену область. Але це не єдиний варіант використання таких виробів.

Основні методи посилення ЖБ-конструкцій

В залежності від результатів первинного обстеження та на основі проектного рішення можуть використовуватися такі способи підсилення залізобетонних конструкцій:

Укладання ремонтної штукатурки в цілях відновлення структури бетонної поверхні. Якщо є відкриті зони проходження арматури, їх також закладають грунтующими сумішами або штукатуркою.

Введення бетонного розчину в порожнині, тріщини, порожнечі й інші внутрішні дефекти конструкції, виявлені засобами неруйнівного контролю.

Торкретування бетонною сумішшю. Спеціальними гарматами при високій швидкості на поверхню наноситься бетонний розчин. Така механіка обробки пошкоджених ділянок дозволяє формувати щільні зміцнюють шари високої міцності.

Посилення фундаментної основи, на яку впирається конструкція. Це робиться за допомогою залізобетонних обойм, металевих поясів, анкерних стяжок та інших твердотільних елементів.

Зміцнення залізобетонних колон, балок та стін за допомогою монтажу складних армуючих обойм, каркасів і сорочок. В такому пристрої можуть використовуватися елементи армування, опалубки і торкретування. Оскільки цей метод передбачає створення досить вагомих додаткових споруд, у рекомендаціях щодо посилення залізобетонних конструкцій рекомендують ретельно розраховувати максимальну навантаження на перекриття. Інакше через деякий час можна буде виявити тріщини вже в структурі несучих елементів нижнього рівня.

Точкове підвищення стійкості ригелів, балок, стійок і опорних елементів композитами. Для таких цілей використовуються мелкоформатные, але міцні деталі з вуглепластика, кевлара, карбону і т. д.

Як показує практика, найбільш ефективним рішенням у підтримці силового потенціалу ЖБ-конструкцій є саме структурна зміна їх основи. Додаток стін і перекриттів сторонніми елементами підтримки зразок розпірок, навпаки, вважається малоефективним і технологічно недоцільним. Але знову ж конкретні рішення слід приймати на основі комплексного обстеження та розрахунку.

Посилення сталлю і композитами – що краще?

Принципове розділення з багатьох способів зміцнення будівельних споруд проходить за типом використовуваного матеріалу. Силові твердотільні стрижні і конструкційні елементи є найбільш поширеною підсилює фурнітурою, але вона може виконуватися і на основі традиційних сталевих сплавів, із застосуванням сучасних пластиків. Що ж краще? До переваг металу варто віднести його універсальність, високу міцність і доступну вартість. До речі, посилення залізобетонних конструкцій вуглеволокном при всіх позитивних техніко-фізичних якостях може коштувати на 20-30 % дорожче, ніж із застосуванням навіть якісної нержавіючої сталі. Чому ж виправдовуються такі витрати? Все ж композити демонструють неперевершені показники міцності на розтяг, які перевершують навіть сталь. Також, на відміну від бетону, углеволокно характеризується більш високим ресурсом втомної міцності, що виключає проміжні реставраційні заходи у процесі багаторічної експлуатації будівлі. Чи є недоліки у композитів крім високої ціни? Є нюанси екологічного властивості, оскільки в основу матеріалу все ж закладається пластик, але значимість впливу синтетичних добавок мінімальна з точки зору небезпеки для людини.

Висновок

Заходи по ремонту, відновленню і зміцненню залізобетонних конструкцій, як правило, вимагають чимало організаційних і фінансових витрат. Це пов'язано зі складністю їх конструкції і технологічної проблематикою виконання монтажних операцій. Навіть незначні косметичні процедури потрібно проводити в кілька етапів - від дефектування з підготовкою об'єкта до робіт до безпосереднього усунення пошкоджень або підвищення міцнісних якостей матеріалів. Тому в рекомендаціях з проектування підсилення залізобетонних конструкцій фахівці відзначають необхідність розгляду найбільш технічно гнучких варіантів вирішення завдання. Наприклад, найпростіша заміна сталевої арматури діаметром 12 мм на вуглепластиковий стрижень товщиною 8 мм при тому ж ефект посилення дозволить мінімізувати до 50 % силозатрат. Але зрозуміло, така оптимізація можлива не завжди. На перший план у будь-якому випадку повинні виходити принципи збереження необхідної міцності, пружності і жорсткості конструкцій. Дотримання нормативних планів і якісним схем монтажу дозволить раціонально виконати зміцнення, максимально відсунувши термін необхідності виконання повної реконструкції будівлі із заміною залізобетонної конструкції.