Опыт усиления строительных конструкций композиционными материалами при реконструкции Баксанской ГЭС

Аннотация

Мы продолжаем серию публикаций о восстановлении и реконструкции одной из старейших станций Северного Кавказа — Баксанской ГЭС (см. «ГИДРОТЕХНИКА», 2013, № 1-2). Одними из важнейших задач были восстановление, ремонт и усиление конструкций зданий и сооружений. Работы были выполнены ИПЦ «ИнтерАква», который не только одним из первых в России освоил технологии работы с композитными материалами, но и стал разработчиком уникальных технических решений по защите и усилению конструкций, успешно применяющихся на различных гидротехни­ческих и промышленных объектах, обеспечивая безопасную эксплуатацию на несколько десятков лет.

Решение о реконструкции Баксанской ГЭС было принято в 2010 г. после совершения теракта [1]. Реконструкция ГЭС базировалась на результатах обследования, выполненного ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева и проектных решений «Мособлги- дропроекта». Работы по реконструкции здания ГЭС выполня­лись «Турборемонт-ВКК».

В частности, при реконструкции здания административ­но-бытового комплекса решались следующие задачи:

• ремонт и восстановление поврежденных строительных конструкций;
• обеспечение соответствия физико-механических свойств конструкций современным требованиям строительных норм;
• изменение конструктивных параметров строительных элементов в связи с перепрофилированием ряда поме­щений и увеличением расчетных нагрузок из-за замены оборудования и обеспечение требуемой несущей способ­ности;
• обеспечение выполнения современных требований по сейсмостойкости зданий при расчетном землетрясении 8 баллов.

Административно-бытовой корпус представляет собой монолитное железобетонное трех зтажное здание каркасно­стеновой конструктивной схемы. Внешние габариты здания 27,4x12,7 м. Перекрытия и плиты покрытия ребристые. Высота сечения плит 100 мм, балок — 400-450 мм (с учетом плиты).

Расчет пространственной модели здания выполнен институтом «Мособлгидропроект». Специалистами ИПЦ «Ин­терАква» проанализированы поля требуемого по расчету армирования и сопоставлены с фактическим, приведенном в Заключении по техническому обследованию, выполнен­ном институтом ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева. В результате был определен перечень конструктивных элементов здания, требующих усиления.

Плита перекрытия первого этажа имела дефицит несущей способности на изгибающий момент в приопорных зо­нах и в пролетной части. Балки перекрытий первого и второго этажей, а также покрытия имели дефицит несущей способности на отрицательный изгибающий момент в надопорных зонах. Величина дефицита несущей способности плит составляла от 26 до 110%, балок — до 83%. Кроме того, плиты перекрытий, покрытия требовали обеспечения повышения трещиностойкости. Также требовалось усиление плит перекрытий в зонах проемов под лестничные марши.

Серьезными ограничениями при выборе конструктивных решений усиления были требования по сохранению внутрен­них габаритов помещений без увеличения нагрузок на фун­даменты.

Выбор вариантов конструктивных решений усиления конструкций на основе традиционных и современных решений показал, что усиление может выполняться следующими методами:

• усилением конструкций металлическим профилем;
• усилением изгибаемых конструкций наращиванием сечения или применением шпренгельных систем;
• усилением композиционными материалами на основе высокопрочных углеродных волокон.

Рис. 1. Усиление балки перекрытия внешним армированием ФАП

Рис. 2. Усиление плиты перекрытия внешним армированием ФАП

Рис. 3. Анкеровка углепластиковых накладок в приопорных зонах вблизи стен, колонн:

а — принципиальная схема расположения; б — конструкция анкера

Сравнение вариантов показало:

1. При усилении металлопрокатом для увеличения пре­дельного изгибающего момента балок в пролете увеличива­ется вес конструкций и геометрические размеры, что в свою очередь вызывает дополнительные сложности при отделоч­ных работах и необходимость применения сварочных работ и антикоррозионных мероприятий.
2. При выполнении усиления на опорных участках балок на отрицательный изгибающий момент армированной набе- тонкой также увеличивается вес конструкций, уменьшается полезных объем помещений из-за уменьшения высоты эта­жа, и требуются трудоемкие бетонные работы.
3. Устройство шпренгельных систем связано с большой трудоемкостью, также с ограничениями внутренних габари­тов и дополнительными работами по защите этих систем в период монтажа оборудования и эксплуатации.
4. Применение композиционных материалов, по срав­нению с вышеприведенными вариантами, имеет ряд суще­ственных преимуществ:

• не изменяются постоянные нагрузки (вес композита очень мал);
• не изменяются архитектурные параметры помещений из- за малой толщины отвержденного композита;
• высокая коррозионная стойкость элементов усиления;
• низкая трудоемкость и сроки выполнения работ;
• сравнение технико-экономических показателей приве­денных методов усиления показало значительное пре­имущество применения композиционных материалов, что уже неоднократно подтверждалось и для других кон­струкций [2].

В этой связи было принято решение о применении ком­позиционных материалов для усиления конструкций.

Рис. 4. Усиление плиты перекрытия в зоне проема

В разработанном проекте усиления балок и плит пере­крытий на восприятие дополнительного изгибающего мо­мента и для повышения трещиностойкости предусматрива­лось устройство на растянутых поверхностях усиливающих элементов из углепластика (фиберармированного пласти­ка — ФАП). В пролетной части конструкций элементы ФАП устраивались на нижней поверхности, а в зонах отрицатель­ных изгибающих моментов в надопорной части — на верх­ней. Волокна углепластиковых накладок ориентированы в направлении воспринимаемых деформаций во взаимно пер­пендикулярных направлениях, на балках — в продольном направлении. Для обеспечения перераспределения усилий между конструкцией и элементами усиления, дополнитель­ной анкеровки продольных усиливающих элементов, а так­же повышения надежности и трещиностойкости балок в при- опорных зонах (на участках потенциального образования тре­щин) в поперечном направлении устраивались U-образные и двухсторонние вертикальные углепластиковые «хомуты» (рис. 1,2).

Включение в работу углепластиковых накладок на верхней поверхности плит, балок в приопорных зонах (вбли­зи стен, колонн) обеспечивалось установкой специальных углепластиковых анкеров (рис. 3).

Для усиления плит перекрытий в зоне технологических проемов по их контурам на нижней и верхней поверхности плит выполнены продольные и U-образные элементы внеш­него армирования. Продольные усиливающие элементы воспринимают концентрации напряжений вблизи проема, а U-образные компенсируют перерезанную при выпиливании проемов стержневую стальную арматуру и дополнительно анкеруют продольные элементы (рис. 4).

Количество слоев углеродной ленты в каждом случае определялось расчетом в соответствии с [3]. В результате выполненных ИПЦ «ИнтерАква» работ по усилению обеспе­чена требуемая несущая способность и трещиностойкость конструкций. Применение системы внешнего армирования

композиционными материалами позволило существенно сократить сроки выполнения работ, при усилении не были изменены внутренние габариты помещений и не увеличен собственный вес конструкций. Внешнее армирование ком­позиционными материалами на основе высокопрочных угле­родных волокон и эпоксидного связующего в очередной раз показало свою высокую эффективность для усиления строи­тельных конструкций [2].

Более подробно о технологии внешнего армирования см. [4].

Литература

1. Костыря С. А. О работах ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева на Баксанской ГЭС//Гидротехника. 2013. № 2 (31). Стр. 16-17.
2. Чернявский В. Л., Сердюк А. И. Экономическая эф­фективность применения технологии внешнего армирования композиционными материалами для усиления строительных конструкций // Точка опоры — строительные материалы и технологии. 2013. N° 1 (160). Стр. 12.
3. Руководство по усилению железобетонных конструк­ций композитными материалами. ИнтерАква, НИИЖБ, 2006.
4. Чернявский В. Л. Система ремонта и усиления строительных конструкций // Гидротехника. 2010-2011. №№ 4 (21)-5 (22). Стр. 60-63.