Подходы к усилению железобетонных колонн при реконструкции каркасных зданий повышенной пожароопасности



При возведении зданий гражданского и промышленного назначения широко применялись сборные и сборно-монолитные строительные системы, состоящие из колонн и перекрытий. На сегодняшний день физический износ этих строительных конструкций, в частности железобетонных колонн, составляет в большинстве случаев 15–25 % по предложенной авторами шкале.

Такой износ не является предельным состоянием, но для предотвращения его прогрессирования предлагается не только восстанавливать колонну цементацией, но и оклеивать грани железобетонной колонны углеродистым полотном, что не только упрочняет колонну, но и защищает ее от природного воздействия. Для новой технологии авторами разработана нормаль процесса.

Ключевые слова: колонны железобетонные, усиление, обойма стальная, обойма железобетонная, опалубка, армирование, углеволокно, инъектирование.

During the construction of public and residential buildings, a prefabricated monolithic building system was widely used, consisting of columns and ceilings without girders. Physical wear of building structures, in particular reinforced concrete columns, is in most cases 15–25 % according to the scale proposed by the authors.

Such wear is not a limiting condition, but to prevent its progression, it is proposed not only to restore the column by cementation, but also to glue the edges of the concrete column with carbonaceous canvas, which not only strengthens the column, but also protects it from natural impact.

For the new technology, the authors have developed a normal process.

Keywords: reinforced concrete columns, hardening, steel shirt columns, reinforced shirt, formwork, reinforcement, carbon fiber, injection

Каркасные здания получили широкое распространение не только в промышленном и гражданском строительстве, но и при строительстве воинских зданий, складов военно-технического имущества, парков военной техники в военных городках, особенно в период развития сборного домостроения с 1960 до 1986 года. При возведении каменных каркасных зданий в основном применялись сборные железобетонные колонны и конструкции покрытия и перекрытия. [1].

Сроки службы железобетоны конструкции зданий, построенных в 60-е годы прошлого столетия, составляют около 52-х лет. Исходя из долговечности монолитных железобетонных конструкций, теоретический износ составляет около 30–40 %, а для сборных железобетонных зданий — 40–50 %. В тоже время фактическое состояние несущих конструкций зависит от своевременности капитальных ремонтов и от условий эксплуатации [2]. Наибольший износ строительных конструкций характерен для производственных зданий химической промышленности, для конструкций очистных и водозаборных сооружений, для зданий банно-прачечных комбинатов, где сочетаются перепады температуры, влажность и химические испарения в воздухе. В современных экономических условиях многие перечисленные объекты в первоначальном своем назначении не востребованы, то есть морально устарели и подлежат реконструкции при фактическом физическом износе не более 40 % [3]. Конструктивно-технологические решения сборно-монолитного здания каркасного типа представляет собой колонную схему с безбалочным перекрытием [4]. Физический износ колонн оценивается в соответствии с ВСН 53–86(р) [5]: «Реальный физический износ железобетонной колонны рассчитывается с учетом оценки дефектов отдельных участков поверхности колонны и вычисляется по формуле

,

где — степень износа колонны в целом, %;

— степень износа участка колонны, %, %;

— площадь участка колонны с однородным износом, м ² ;

— площадь поверхности колонны в целом. м ² ;

n — количество участков колонны с разнородными признаками износа».

Примерный состав работ по усилению физически изношенных конструкций, приведенный в ВСН 53–86(р), приблизительно отражает техническое состояние и не отражает современных технологий ремонта. Однако, идет постоянная разработка, как за рубежом, так и в России, нормативной документации, что может служить подтверждением актуальности исследования усиления железобетонных конструкций композиционными материалами [6].

Более точная шкала оценки физического износа бетонных колонн приведена в табл.1 с учетом уточнения значений по данным практических наблюдений и обобщений авторов (таб.1). Предложены новые способы ремонта с использованием углепластика.

Таблица 1

Шкала оценки физический износа бетонных колонн и применяемые технологии ремонта

Признаки износа	Степень износа, %	Технологии ремонта
Трещины в растянутой зоне до 0,5 мм, отколы глубиной до 3 мм не более 1 на 1 м 2	10	заделка отколов вручную
Трещины в растянутой зоне от 0,5 до 0.8 мм, отколы глубиной до 4,5мм не более 2 на 1 м 2	15	заделка трещин и отколов вручную
Трещины в растянутой зоне от 0,9 до 1 мм, отколы глубиной до 5мм не более 3 на 1 м 2	20	Инъецирование цементным раствором, восстановление защитного слоя. Усиление углепластиковым полотном
Оголение арматуры (размером до 50 мм в одном месте на 1 м 2 и трещины шириной от 1,1 до1,3 мм	25	Инъецирование цементным раствором, восстановление защитного слоя. Усиление углепластиковыми пластинами
Оголение арматуры (размером до 50 мм в двух местах на 1 м 2 и трещины шириной от 1,3 до1,5 мм	30	Инъецирование цементным раствором, устройство стальных обойм с оштукатуриванием по сетке
Трещины в растянутой и сжатой зонах в основании и у консолей от 1,5 до 2 мм, отслоение защитного слоя не более 1 на 1 м 2	40	Инъецирование цементным раствором, устройство стальных обойм с оштукатуриванием по сетке или устройство бетонной обоймы в несъемной опалубке
Трещины в растянутой и сжатой зонах в основании и у консолей от 1,5 до 2 мм, отслоение защитного слоя не более 2 на 1 м 2 . Искривление колонны 1: 200 от высоты	50	Устройство дополнительного армирования и торкретирования
Раскрытие трещин в растянутой и сжатой зонах по всей высоте более 2 мм, отслоение защитного слоя в растянутой зоне по всей высоте. Искривление колонны 1: 200 от высоты	60	Замена колонны или устройство работающих на сжатие обойм из монолитного бетона

В последнее десятилетие для усиления конструкций применяют технологии наклейки лент и холстов из углеродистого волокна, применяемого в качестве внешнего армирования и имеющего механическую прочность на растяжение R, 1700–4800 Мпа (рис 1) [7]. Большое распространение получило замоноличивание трещин в железобетонных конструкциях инъектированием.

В результате испытаний несущая способность колонн увеличилась на 57 %. В предельном состоянии осевое сжатие колонн составило 11 мм/м. В стадии эксплуатации такие деформации недопустимы. Таким образом, ткани из углеродистого волокна применяются при околопредельном нагружении колонн для обеспечения необходимого коэффициента надежности. Для нагруженных колонн рекомендованный максимальный коэффициент усиления 1,8–2,0 [8].

Рис.1. Усиление колонн углеродистым волокном [9, 10]

Перед усилением колонн углеродным полотном или лентами с наклейкой на бетонную поверхность колонны эпоксидным клеевым составом производится инъецирование трещин шириной 1–2 мм. В состав простого процесса входят следующие операции:

1. Расшивка трещин;
2. Бурение шпуров под инъекционные пакеры под углом 30- 45 градусов;
3. Продувка отверстий сжатым воздухом;
4. Монтаж инъекционного оборудования;
5. Нагнетание полимерцементного состава в пакеры;
6. Снятие пакеров;
7. Заделка шпуров полимерцементным составом;
8. Заделка выколов и выбоин полимерцементным составом.

Устройство системы внешнего армирования допускается осуществлять в диапазоне температур окружающего воздуха и конструкций от +5 °С до +45 °С и влажности воздуха не более 80 %. Температура конструкции должна быть выше температуры точки росы минимум на 3°С. Влажность конструкции в зоне усиления не должна превышать 4 % [9].

Работы по усилению железобетонных конструкций путем внешнего армирования композитными материалами включает в себя следующие этапы: — восстановление целостности и геометрической формы усиливаемой конструкции (включая, при необходимости, антикоррозионные мероприятия);

— подготовка поверхности конструкции в местах устройства усиливающих элементов внешнего армирования;

— разметка размещения элементов внешнего армирования в соответствии с принятой проектом схемой наклейки;

— раскрой усиливающих элементов (ленты, ткани, ламината, сетки, анкерного жгута);

— приготовление связующего (адгезива);

— наклейка усиливающих элементов;

— нанесение защитного покрытия [9].

В практике современного строительства продолжают применяться традиционные конструкции и способы устройства усиления бетонных колонн, имеющих физический износ более 25 %, на которые разработаны Единые нормы и расценки, отражающие удельные затраты технических и трудовых ресурсов, необходимых для выполнения работ.

Традиционные технологии устройства конструкций усиления:

1. устройство стальной обоймы из прокатных профилей (стальных уголков и полос, соединенных электросваркой) (рис.2.);
2. Устройство монолитной железобетонной обоймы
3. Торкретирование стальной обоймы из строительной арматуры.

Рис. 2. Усиление колонны стальной обоймой

При устройстве железобетонной рубашки и толщине обоймы до 4 см применимы методы торкретирования (рис.3.).

Рис. 3. Технологический процесс усиления железобетонной колонны рубашкой из армированного торкретбетона

Монолитное усиление колонны выполняют часто с использованием несъемной опалубки из цементно-стружечной плиты или дисперсно-армированной панели, изготовленной на цементном вяжущем материале [11].

При устройстве железобетонной рубашки в несъемной опалубке выполняется насечка и арматурный каркас обоймы, очистка поверхности сжатым воздухом, установка несъемных элементов опалубки и бетонирование. Обойма выполняется отдельными ярусами. Эффективно в качестве дополнительного армирования применение стальной фибры [12].

Однако, развитие строительных материалов и средств механизации, применяемых при устройстве конструкции усиления, служит объективным поводом к подробному обобщению технологий усиления железобетонных колонн, имеющих физический износ до 25 %. На основе сравнительного анализа технологий усиления железобетонных колонн, имеющих физический износ до 25 %, разработаны авторами предложения по рациональной области применения рассмотренных технологий.

Авторами рассмотрены следующие критерии сравнения технологий:

1. Удельные затраты трудовых ресурсов [13];
2. Удельные затраты материалов;
3. Удельные среднегодовые затраты на текущий ремонт конструкций после их усиления;
4. Прогнозируемая долговечность материалов конструкций усиления;
5. Удельная стоимость технологического оборудования в единицу времени.

В экспертной оценке принимали участие кандидаты технических наук по специальности 05.23.08 «Технология и организация строительства».

Собранные результаты ответов подверглись статистической обработке.

Результаты экспертной оценки технологий усиления железобетонных колонн, при их физическом износе до 25 % приводятся в табл. 2.

Таблица 2

Результаты экспертной оценки технологий усиления железобетонных колонн, имеющих физический износ до 25 %

№ п/п	Десять критериев оценки технологии	Значение критерия оценки по десятибалльной шкале технологии усиления колонн
		Стальная обойма	Монолитная железобетонная	Углеродистое внешнее армирование	Иньектирование
1	Удельные затраты трудовых ресурсов	7	4	9	5
2	Удельные затраты материалов	9	8	5	5
3	Удельные среднегодовые затраты на текущий ремонт конструкций после их усиления	7	7	9	10
4	Прогнозируемая долговечность материалов конструкций усиления	7	8	6	7
5	Удельная стоимость технологического оборудования в единицу времени.	5	6	8	5
	Итого технология усиления колонн (максимальное значение 100 баллов)	35	33	37	32

Коэффициент вариации оценок определяется следующим образом.

«Для оценки корректности экспертных оценок принят коэффициент вариации, определенный по следующей формуле:

(2)

Где среднее квадратическое отклонение оценок, полученных j-ой технологией, определяется по формуле (3).

(3),

Где дисперсия оценок, данных j -ой технологии определяется по формуле (4).

, (4)

где — число экспертов;

— оценка (в баллах) j-ой технологии i -м экспертом;

— среднее арифметическое значение величины оценки технологии (в баллах) определяется по формуле (5).

(5)

В расчетах средних баллов по каждой технологии и соответствующему критерию определялся коэффициент вариации, который не превысил значения 0,28, что говорит о допустимой степени согласованности экспертов» [14].

Технология наружного армирования колонн, имеющих износ до 25 %, углеродистым полотном по данным экспертной оценки наиболее эффективна. Менее эффективна технология инъектирования, стальная обойма эффективнее обоймы из железобетона, но уступает углеродистому полотну. В связи с отсутствием данных об изменении прочностных характеристик углеродистого волокна при длительной эксплуатации авторы не рекомендуют применять усиление колонн углеродистым полотном при физическом износе железобетонных колонн более 25 %.

Нанесение на подготовленную бетонную поверхность клеящего эпоксидного состава надо производить при температуре не ниже + 15°С. При чем обязательно производиться грунтовка, закрепляющая отшлифованную бетонную поверхность и обеспечивающая хорошую адгезию эпоксидного клеящего состава к поверхности колонны. Грунтовку можно наносить кистью, валиком или пистолетом-распылителем.

Проведенные нормативные наблюдения за выполнением технологических процессов усиления колонн холстами из углепластика послужили основанием для предложенной новой технологии

Состав операций по усилению железобетонных колонн с физическим износом до 25 %:

1. Расшивка трещин;
2. Просверливание отверстий для установки пакеров;
3. Установка пакеров;
4. Монтаж инъекционного оборудования;
5. Нагнетание цементного раствора;
6. Заделка выбоин;
7. Алмазная обработка бетонной поверхности;
8. Продувка сжатым воздухом;
9. Подготовка эпоксидного грунтовочного состава;
10. Раскрой холстов углеродистого полотна;
11. Наклеивание вдоль лент из углеродистого волокна по граням колонны;
12. Наклейка поперечных холстов из углеродистого волокна по всей высоте колонны.
13. Протирка оклеенной поверхности ветошью.

Состав звена:

Облицовщик конструкций углеродистым волокном:

3 разряд — 1 чел.

4 разряд — 2 чел.

Применяемые машины и инструменты:

— Внутрипостроечный транспорт (автомобиль, трактор грузоподъемностью до 5 т)

— Установка инъекционная -1шт;

— Кельма штукатура — 2 шт;

— Перфоратор электрический -1шт;

— Шпатели стальные — 2 шт;

— Шпатель пластиковый для наклейки холста -2шт;

— Кисть макловица — 1 шт;

— Валик для укатки холста — 2 шт.

— Шуруповерт электрический — 1 шт.

— Отвес;

— Уровень.

Зарубежные исследования в области технологии усиления колон материалами на основе углеродистого волокна направлены на автоматизацию технологического процесса намотки лент. Первые опытные образцы представляют собой роторный механизм с «бегущей» вдоль колонны в процессе намотки лентой (рис.4).

Рис. 4. Автоматизированный наматыватель ленты [16].

С учетом российского опыта применения зарубежной технологии авторами проводятся исследования в области скоростной технологии одновременного устройства двухслойной оболочки. Цель исследования направлена на снижение трудоемкости работ по усилению колонн не менее чем на 30 %.

Вывод: Результаты исследований технологических процессов предназначены для применения при реконструкции и капитальном ремонте железобетонных каркасных сборных зданий в части ремонта колонн, имеющих износ не более 25 % по предложенной авторами шкале, с одновременным усилением в виде внешнего армирования углеродистым полотном. Авторы не рекомендуют применять углеродистое полотно для усиления колонн, имеющих физический износ более 25 %, в связи с отсутствием данных об изменении прочности углеродистого волокна при длительной эксплуатации. Уточнение разработанной нормали технологического процесса усиления колонн полотном из углеродистого волокна и рекомендуемого расхода ресурсов по результатам нормативных наблюдений планируется авторами выполнить с учетом исследования адгезии эпоксидного клеящего состава к бетонной поверхности в дальнейших научных исследованиях. Кроме того, авторами предложена технология скоростной одновременной намотки двух слоев лент на усиливаемую круглую колонну.

Литература:

1. The architecture and artistic features of high-rise buildings in USSR and the United States of America during the first half of the twentieth century/ Svetlana Golovina and YuriiOblaso/ E3S Web of Conferences 33, 01032 (2018)

2. Тилинин Ю. И. Организация и технология производства работ при реконструкции жилых кирпичных зданий исторического центра Санкт-Петербурга / Сборник научных трудов участников межвузовской научно-практической конференции: Современные направления развития технологии, организации и экономики строительства / под общ. ред. д.т.н. профессора. А. Н. Бирюкова. — СПб.: ВИ (ИТ), 2015. –С.264–270.

3. Юдина А. Ф. Реконструкция и техническая реставрация зданий и сооружений // 2-е издание, А. Ф. Юдина. — М.: Академия, 2012. — 320 с.: ил.

4. Колчеданцев Л. М., Зубов Н. А., Рощупкин Н. П., Колчеданцев А. Л. Конструктивно-технологические решения сборно-монолитного здания экономического класса // Строительные материалы — 2011 — № 3 — с.37–39

5. Ведомственные строительные нормы и правила оценки физического износа жилых зданий ВСН 53–86(р) // Разработаны Академией коммунального хозяйства им. К. Д. Памфилова Минжилкомхоза РСФСР (руководитель темы — канд. техн. наук Э. Ш. Шифрина, ответственный исполнитель — канд. техн. наук С. Н. Нотенко), ЦМИПКС Минвуза СССР (канд. техн. наук А. Г. Ройтман). М.: Госгражданстрой. 26 с.

6. Денисова А. Д., Шеховцов А. С. Анализ конструктивных решений усиления изгибаемых железобетонных элементов при помощи систем внешнего армирования с предварительным напряжением // Материалы 70-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых «Актуальные проблемы современного строительства»: [в 3 ч.]. Ч. 2. СПбГАСУ. — СПб., 2017. — С. 144–149.

7. Бадьин Г. М. Сычев С. А. Современные технологии строительства и реконструкции зданий / Г. М. Бадьин, С. А. Сычев. — СПб.: БХВ-Петербург, 2013. — 288 с.

8. Руководство по проектированию для FRP систем компании S&P. [Электронный ресурс] — URL: http://asoka.ru

9. СТО 38276489.001–2017. Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Проектирование и технология производства

10. Старовойтова И. А., Семенов А. Н., Зыкова Е. С., Хозин В. Г., Сулейманов А. М. Модифицированные клеевые связующие для систем внешнего армирования строительных конструкций. Ч. 1. Требования к клеям. Технологические характеристики // Строительные материалы. 2017. № 11. С. 50–54.

11. Сулейманов А. М., Зыкова Е. С., Старовойтова И. А., Семенов А. Н. Модифицированные клеевые связующие для систем внешнего армирования строительных конструкций. Ч. 2. Физико-механические характеристики клеев // Строительные материалы 2017. № 12. С. 64–67.

12. Колчеданцев Л. М., Васин А. П., Осипенкова И. Г., Ступакова О. Г. Технологические основы монолитного бетона. Зимнее бетонирование: Монография/Под ред. Л. М. Колчеданцева. — СПб.: Издательство «Лань», 2016. — 280 с.

13. Теряник В. В., Лу А. В., Бирюков А. Ю. Элемент усиления колонн. Патент России № 67610. New ways of strengthening of compressed elements reinforced concrete structures

14. Лихачев В. Д. Трудоемкость как критерий оценки эффективности технических и технологических решений// Материалы 72-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета. 5–7 октября 2016 г.: [в 3 ч.]. Ч. I. Архитектура и строительство; СПбГАСУ. — СПб., 2016. — С. 108–111.

15. Гуцыкова С. В. Метод экспертных оценок. Теория и практика (2011) / Светлана Гуцыкова. — М.: Когито-Центр. –144 с.

16. FIB bulletin 14. Externally bonded FRP reinforcement for RC structures. July 2001. CNR-DT 200/2004.

17. СП 164.1325800.2014. Усиление железобетонных конструкций композитными материалами.