Усиление конструкций композитными материалами

В практике реконструкции промышленных зданий и сооружений часто возникает необходимость усиления конструкций и их отдельных элементов. Необходимость усиления основных несущих элементов зданий может быть вызвана следующими причинами:

·  увеличением нагрузки после реконструкции здания в результате замены или усиления вышерасположенных конструкций;

·  модернизацией технологического оборудования в реконструируемом здании, изменением технологических процессов;

·  эксплуатационным износом, например потерей несущей способности от воздействия динамических и вибрационных нагрузок, агрессивной воздушной среды;

·  дефектами при изготовлении и монтаже или приобретенными конструктивными дефектами, возникшими в результате неправильной эксплуатации конструкций, разбрызгивания или разлива агрессивных жидкостей;

·  случайными повреждениями, например выходом из строя отдельных конструктивных элементов при демонтаже, транспортировке и установке технологического оборудования;

·  нарушением прочностных характеристик в результате природных или антропогенных чрезвычайных ситуаций, таких как пожар, взрыв, наводнение, землетрясение.

Причиной могут служить и ошибки в проектировании или изменения в процессах эксплуатации, когда к критической ситуации привело одно из следующих событий:

·  используемая арматура оказалась с недостаточной площадью сечения;

·  бетон не набрал расчетную прочность;

·  конструктивная схема здания была изменена по отношению к первоначальной;

·  образовались новые проемы;

·  изменился режим эксплуатации здания;

·  сказались последствия от повреждения конструкций.

Все методы усиления конструкций можно разделить на активные и пассивные. К активным можно отнести следующие методы:

·  перераспределение сил в поперечном направлении, например, путем догружения средних балок и разгрузки крайних в многобалочной системе;

·  добавление к основной конструкции дополнительных конструктивных элементов, берущих на себя часть нагрузки, например монтаж новых балок (опирающихся на существующие или вновь устраиваемые опоры) между существующими конструкциями.

·  уменьшение удельного веса конструкции, например путем замены бетонных элементов стальными;

·  обжатие конструкции, которое обычно выполняют внешними канатами.

К пассивным методам усиления конструкций можно отнести следующие:

·  увеличение поперечного сечения элементов конструкции путем добавления армирования и бетонирования. В качестве примеров увеличения поперечного сечения можно отнести приварку дополнительных прокатных профилей к стальным конструкциям или обетонирование стальных балок, устройство железобетонных рубашек и обойм, использование металлических хомутов для железобетонных перекрытий;

·  наклеивание или механический монтаж стальных полос или листового металла;

·  усиление композиционными материалами путем наклеивания композитных лент и панелей.

Самым инновационным достижением в области строительных технологий является метод усиления конструкций композиционными материалами, который успешно применяется во всем мире. Композитные системы усиления обеспечивают замечательные результаты как при работе конструкций в обычных условиях, так и при их работе в зонах сейсмической активности. Чаще всего в качестве усиления конструкций применяется внешнее армирование с использованием композитных материалов с углеродными волокнами. Данные технологии уже прошли успешную эксплуатацию на многих объектах и доказали свою эффективность в самых сложных условиях.

Среди наиболее заметных преимуществ применения углеродных композитных материалов можно выделить следующие:

·  существенное сокращение сроков проведения работ;

·  сокращение трудовых затрат, в том числе исключение затрат на оплату использования тяжелой строительной техники ввиду ее ненадобности;

·  возможность проведения укрепляющих мероприятий без остановки производственных процессов или перекрытия транспортного потока;

·  увеличение длительности межремонтного периода;

·  незначительный вес дополнительных усиливающих элементов;

·  минимальные требования к пространству для выполнения работ;

·  инертность и стабильная устойчивость ко всем агрессивным средам;

·  высокая адгезия к любому материалу усиливаемой конструкции;

·  исключение сварочных работ;

·  минимальная толщина армирующего композитного материала.

По сравнению с обычными конструкционными материалами (алюминием, сталью) композиционные материалы на основе углеродных волокон обладают экстремально высокими характеристиками:

·  высокой прочностью;

·  значительным сопротивлением усталости;

·  высоким модулем упругости;

·  химической и термической стойкостью, характеристики которых в несколько раз выше, чем у стали при гораздо меньшей массе композита.

Также следует отметить, что в отличие от традиционных методов усиления с применением железобетонных рубашек и монтажа дополнительных стальных профилей, усиление углеродными лентами позволяет полностью сохранить первоначальный архитектурно-эстетический облик сооружения.

Наглядно возможности композитного материала можно продемонстрировать результатами опытов. Так, при испытании бетонных балок с размерами 1300х120х65 мм на изгиб их разрушение происходит при силе в среднем равной 3,8 кН. Если же усилить балки, например однонаправленной углеродной лентой FibARM Tape 230/300, то для разрушения балок потребуется сила, равная 5,4 кН. Таким образом, несущая способность усиленных балок по сравнению с обычными увеличилась примерно в 1,4 раза или на 42%. При испытании бетонных призм с размерами 10х10х200 мм на сжатие их призменная прочность составляет примерно 280 кН, а при испытании усиленных углеродной лентой призм с теми же размерами – 520 кН. Это значит, что призменная прочность увеличилась примерно в 1,9 раз или на 86%.

Основными достоинствами усиления конструкций углеродными композитами, как уже было ранее отмечено, является простота технологии реализации. Так, в ходе проведения работ на растянутые поверхности усиливаемого конструктивного элемента при помощи специального связующего компонента наклеиваются углеродные ленты. То есть, ленты непосредственно прикрепляются к таким деталям, как: растянутые и сжатые элементы, пролетные зоны изгибаемых конструкций, приопорные зоны конструкций, консольные элементы, короткие стойки, гибкие колонны.

После такого устройства внешнего армирования поверх ленты наносится слой защитного полимерцементного состава, производится финишная шпатлевка и окраска поверхностей специализированным акриловым покрытием.

Следует отметить, что композиционные системы усиления могут применяются практически для всех видов конструкций: бетонных и железобетонных, каменных и армокаменных, деревянных и металлических.

Среди основных укрепляемых элементов по технологии композитного армирования можно выделить: строительные фермы, потолочные и стеновые проемы, стены зданий и построек, плиты перекрытия, колонны и другие несущие элементы.

Таким образом, применение композитных материалов для усиления строительных конструкций позволяет стабилизировать коррозионные процессы, обеспечить нормируемую несущую способность конструкций. В свою очередь, это может положить начало новому направлению реконструкции инженерных сооружений, которое обеспечивает существенное сокращение трудоемкости, сроков и эксплуатационных расходов при регламентированном уровне безопасности эксплуатации зданий и сооружений.