Сравнительное исследование методов усиления железобетонных конструкций

Железобетон — один из самых распространенных материалов, используемых в строительстве для возведения зданий и сооружений, начиная от небольших жилых и обслуживающих построек, заканчивая крупными промышленными и транспортными объектами. Как и любой другой строительный материал, железобетон в процессе эксплуатации подвергается воздействиям нагрузок и условий внешней среды, что неизбежно приводит к разрушениям и возникновению дефектов железобетонного изделия. В некоторых случаях для предотвращения подобных ситуаций принимают меры по изменению условий эксплуатации той или иной конструкции. Однако в ряде случаев обеспечение надежной работы элементов из железобетона является невозможным. Таким образом, следует предусматривать определенный комплекс мероприятий по усилению железобетонных элементов. Выбор методов усиления достаточно многообразный. В данной статье мы рассмотрим самые распространенные.

Ключевые слова: усиление, железобетонные конструкции, эксплуатационные свойства, зоны разрушения, эксплуатационный износ.

Усиление железобетонных конструкций является достаточно эффективным решением в вопросах увеличения срока службы элементов и всего сооружения в целом. Для удовлетворения требований по безопасности конструкции должны иметь такие начальные характеристики, чтобы при различных расчетных воздействиях в процессе строительства и эксплуатации зданий и сооружений были исключены разрушения любого характера или нарушения эксплуатационной пригодности, связанные с причинением вреда жизни или здоровью граждан, имуществу, окружающей среде, жизни и здоровью животных и растениям [1]. Для корректного исполнения задачи по продлению срока эксплуатации железобетонных элементов необходимо правильно подобрать способ усиления, который будет применим к конкретным условиям, так как методы классифицируются по ряду признаков в зависимости:

— от назначения конструкции;

— от специальных условий эксплуатации;

— от типа конструкции;

— от состояния конструкции и др.

Повышение показателей несущей способности может быть обеспечено без изменения напряженного состояния и конструктивной схемы или c изменением. В первом случае могут быть использованы железобетонные «рубашки», наращивание конструкций, обоймы из металла или железобетона. Во втором применяется опирание свай на металлический каркас, предварительное напряжение распорок, различные виды затяжек.

Основное преимущество самого процесса усиления конструкции состоит в том, что это намного более экономично и менее трудозатратно, чем в случае если данные мероприятия проведены не будут, поскольку в этой ситуации уже может потребоваться замена разрушенных конструкций полностью. Это может ощутимо повлиять на бюджет и сроки. Иногда работы по замене конструкций могут быть крайне сложными и масштабными, в то время как работы по усилению могут проводиться даже не нарушая календарный график производства работ за счет того, что нет необходимости останавливать процесс строительства в целом.

Что касается вида усиливаемых конструкций наиболее сложным считается процесс усиления фундаментов, балок и ригелей. Менее трудоемким считается усиление колонн и плит перекрытий.

Рис. 1. Усиление ленточного фундамента железобетонными обоймами

Рис. 2. Усиление плит перекрытия углеволокном

Необходимость проведения операций по усилению конструкций обуславливается двумя основными целями: улучшить несущие характеристики конструкции и продлить срок ее эксплуатации максимально насколько это позволяют исходные условия. Выбор принципа ремонта, защиты и усиления следует проводить в соответствии с выявленными в результате обследования дефектами, причинами или сочетанием причин их возникновения, объемами повреждений и скоростью их увеличения, оценкой состояния конструкции и расчетом остаточного срока службы [2]. Понадобиться усиление конструкции может в следующих случаях:

— повысилась нагрузка на существующую конструкцию ввиду дополнительных надстроек поверх имеющейся;

— изменились технологические особенности оборудования и процессов в здании, которое подлежит реконструированию;

— возникли конструктивные дефекты по причине ошибок в условиях эксплуатации конструкции или попадания на поверхность нее агрессивных веществ;

— эксплуатационный износ здания, возникший в результате воздействий агрессивной окружающей среды или действия динамических и вибрационных нагрузок;

Перед тем как выбирать способ усиления той или иной железобетонной конструкции необходимо произвести ряд поверочных расчетов благодаря которым определиться вероятный характер и траектория разрушения. На основе поверочных расчетов следует установить пригодность конструкций к эксплуатации, необходимость их усиления или полную непригодность конструкции. [3] Расчет может производится по трем основным параметрам:

— деформации;

— условия прочности;

— трещиностойкость.

Если рассматривать общий случай, то можно классифицировать разрушения по зонам действия нагрузок, a именно по растянутой зоне, по сжатой зоне, в зоне действия поперечных сил, в пространственной зоне работы крутящего момента и в зоне местного смятия. По итогам необходимо выявить самую ослабленную зону и уже над ней проводить работы по усилению железобетонной конструкции.

Итак, усиление бетонных конструкций может производиться c использованием различных методов, которые в свою очередь подразумевают под собой ряд определенных мероприятий:

— увеличение поперечного сечения различных элементов железобетонной конструкции: производится путем инъектирования бетонного раствора в опалубку, торкретирования или же бетонирования слоями c арматурным каркасом;

— увеличение прочности несущих элементов за счет установки дополнительных: производится c целью перераспределить воздействие нагрузок на основную деталь;

— повышение технических характеристик железобетона: монтаж дополнительных армирующих каркасов или других усиливающих элементов;

— перенос нагрузки c основного элемента на дополнительные: производится за счет добавления в конструкцию консолей, модификаций имеющихся элементов или подмены некоторых элементов на детали c меньшим весом;

Рис. 3. Общая схема классификации способов усиления железобетонных конструкций

Все мероприятия, связанные c усилением тех или иных железобетонных конструкций можно отнести к разряду строительных процессов повышенной сложности если сравнивать их c обычными технологическими процессами монтажа. Это обусловлено тем, что при работе над усилениями при восстановительных процессах y мастера нет представления об исходном положении конструкции, точных технических характеристик и так далее.

На данный момент существует еще один способ усиления железобетонной конструкции, операции по которому производятся еще до начала работ по монтажу. Этот способ состоит в применении альтернативы обычному бетону — самовосстанавливающийся бетон. В 1994 году К. Драй был первым, кто предложил преднамеренное введение самовосстанавливающихся свойств в бетон [4]. Его эффективность заметно выше, чем y всех других упомянутых методов, поскольку он исключает саму необходимость в каких-либо мероприятиях по усилению, реставрации, восстановлению и так далее. Это устранит дополнительные затраты на ремонт и приобретение необходимой оснастки для операций по усилению конструкций на стадии эксплуатации. В сравнении c обычным бетонным составом, самовосстанавливающийся бетон обладает способностью к «саморегенерации», обладает меньшим весом и большей гибкостью. Использование самовосстанавливающегося бетона, сокращает трудоемкость и затраты на ремонт зданий, а также, снижается выброс углеводорода при производстве производственной смеси [5].

Рис. 4. Процесс регенерации трещин в самовосстанавливающемся бетоне

Минералы, входящие в состав самовосстанавливающегося бетона дают бетону высокий показатель пластичности и при реакции c водой образуется карбонат кальция, который и осуществляет «заживление» возникающих повреждений в конструкции.

Таким образом, анализируя все приведенные методы усиления конструкций можно c уверенностью сказать, что применение самовосстанавливающегося бетона — это огромный прорыв в вопросах продления сроков эксплуатации железобетонных конструкций. По моему мнению, данная технология имеет огромную перспективу на скорейшее внедрение в практику строительной отрасли.

1. СП 63.13330.2012 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52–01–2003 (с Изменением N 1).

2. СП 164.1325800.2014 Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Дата введения 01.09.2014 г.

3. СП 349.1325800.2017 Конструкции бетонные и железобетонные. Правила ремонта и усиления. Дата введения 13.06.2018 г.

4. Де Роой, Тайтлбум К., Бели Н. Д. Самовосстановление в цементных материалах. –2013. — 279 с.

5. Кодзоев М.-Б.Х., Исаченко С. Л. Самовосстанавливающийся бетон [Электронный ресурс] // Научный журнал «Бюллетень науки и практики». 2018. — Т. 4, № 4. — С. 287–290