Авторы: Чернявский В.Л., Осьмак П.П.
 (Инженерно-производственный центр «ИнтерАква», г.Москва, Россия).

Опубликована в журнале "Реконструкция жилья" (Украина).

Освещены вопросы ремонта и усиления железобетонных и кирпичных конструкций. Приведены примеры реализации технических решений по усилению железобетонных конструкций жилых зданий методом внешнего армирования композитными материалами холодного отверждения.

Весь период эксплуатации зданий связан с необходимостью проведения периодических ремонтов конструкций вследствие ошибок проектирования, воздействия непроектных нагрузок и аварий, влияния агрессивных сред, старения материалов конструкций, а в последнее время - из-за изменения конструктивных схем в результате перепланирования помещений.

Во многих развитых странах объем материальных ресурсов, затрачиваемых на поддержание эксплуатационных свойств зданий, сравним с затратами на возведение новых.

Для железобетонных конструкций разработано множество технических решений по их усилению: наращивание сечений, изменение расчетной схемы конструкций с целью перераспределения нагрузок, устройство обойм и пр., опубликовано множество рекомендаций, конструктивных решений и методик проектирования ремонта и усиления строительных элементов. Опыт показывает, что ремонтные работы, выполняемые традиционными методами, не всегда эффективны и обычно требуют увеличения объема исходных элементов, что влечет за собой уменьшение объема помещения. Кроме того, ремонтные работы в условиях эксплуатируемого жилого здания зачастую требуют отселения жильцов на значительные сроки.

В последнее время стали доступны современные технологии ремонта и усиления конструкций, широко используемые за рубежом. В первую очередь, это полимерцементные составы с высокой адгезией к «старому» бетону, мигрирующие ингибиторы коррозии арматуры, композитные материалы для усиления на основе углеродных или стеклянных волокон. Новые технологии позволили резко увеличить межремонтный период, выполнять ремонт и усиление конструкций в кратчайшие сроки без увеличения постоянных нагрузок и изменения объема внутренних помещений.

Метод усиления железобетонных конструкций путем внешнего армирования композиционными материалами холодного отверждения позволяет значительно (в некоторых случаях - кратно) повысить их несущую способность, трещиностойкость и жесткость. Следует отметить, что благодаря высоким физико-механическим характеристикам внешнего армирования усиливающие элементы практически не увеличивают вес конструкций (обычно толщина усиливающих элементов не превышает 2-3 мм), а строительно-монтажные работы не сопряжены с большими трудозатратами и сроками выполнения работ. Суть метода заключается в повышении (или восстановлении) прочности конструкции путем наклейки на ее поверхность полос высокопрочных материалов с помощью специального адгезива, как правило, на эпоксидной основе. Использование такой технологии позволяет проводить усиление балочных и плитных конструкций на действие изгибающего момента, наклонных сечений стержневых элементов на действие поперечной силы, центрально или внецентренно сжатых колонн, перекрытий в зоне отверстий или проемов, ограничивать раскрытие имеющихся трещин, проводить восстановление монолитности кирпичной кладки [1].

Рассмотрим варианты применения технологии усиления композитными материалами на некоторых примерах.

Усиление междуэтажного перекрытия после пожара

В результате пожара в плите перекрытия произошел «отстрел» защитного слоя, а арматура плит получила остаточные деформации от перегрева.

Наиболее распространенными решениями усиления являются:

• подведение металлических разгружающих балок снизу;
• наращивание сечения плит сверху, или снизу с заполнением пустот;
• установка шпренгельных затяжек;
• установка предварительно напряженных элементов из листового металла;
• установка дополнительной рабочей арматуры и др.

Наиболее часто наличие таких повреждений способствует принятию решений со стороны проектировщиков и экспертов о замене поврежденного перекрытия. Но это требует проведения весьма сложных работ по вырубке старого и последующему бетонированию нового перекрытия, и, как следствие, отселения жильцов с выше расположенного этажа. В качестве альтернативы было предложено и реализовано техническое решение по восстановлению защитного слоя бетона полимерцементными материалами с высокой адгезией к «старому» бетону и компенсации потерянных свойств стержневой арматуры внешним армированием отремонтирован­ной поверхности лентами на основе углеродных волокон (рисунок 1).

 

Рисунок 1. Схема усиления перекрытия после пожара

Это позволило полностью «выключить» из расчета термически поврежденную арматуру, а также обеспечить требуемую несущую способность перекрытия, его трещиностойкость и жесткость за счет внешнего армирования.

 

Усиление перекрытия после не проектных нагрузок

Аналогичный подход был применен в жилом здании, где в ходе выполнения ремонта перекрытие было перегружено складируемыми строительными материалами, в результате чего по нижней поверхности плит появились трещины шириной раскрытия до 1,5 мм. Применение традиционных методов было невозможным из-за ограничения доступа к верхней поверхности плит в выше расположенной квартире.

В результате расчета несущей способности перекрытия было определено требуемое сечение усиливающих элементов. Для предотвращения дальнейшего раскрытия трещин и увеличения жесткости перекрытия дополнительно была создана сетка из внешнего армирования (рисунок 2).

  

Рисунок 2. Схема усиления перекрытия после не проектных нагрузок

 

<h2style="text-align: justify;">Усиление перекрытия в зоне отрицательных моментов

В случае необходимости усиления перекрытий каркасных зданий в зоне отрицательного изгибающего момента ленты из углеродных волокон наклеиваются на верхней поверхности перекрытия с заводом их за точку нулевого изгибающего момента на длину анкеровки ленты (обычно на 200-300 мм). В зоне опирания перекрытия на колонну или стену ленты заводятся на них с проклейкой поперечной ленты, что позволяет уменьшить длину анкеровки ленты и включить их в работу непосредственно у зоны опирания (рисунок 3).

Рисунок 3. Принципиальное решение приопорного узла при усилении перекрытия в зоне отрицательного момента

 

Усиление при создании или увеличении проемов в перекрытиях и стенах

Достаточно часто возникают проблемы усиления конструкций при устройстве проемов в перекрытиях и стенах. Нередко проемы в перекрытиях устраиваются для монтажа лестниц в двухуровневых квартирах, в стенах - при переносе или увеличении дверных проемов.

Как правило, традиционным решением усиления перекрытий является подведение металлических балок, которое является достаточно сложным из-за необходимости создания опорных зон балок в стенах, большого веса конструкций, обеспечения надежного примыкания перекрытия к балкам и из-за снижения строительного объема внутренних помещений.

Примером эффективного применения метода внешнего армирования является усиление проема 3,4 х 3,8 м в двухуровневой квартире одного из жилых зданий в г. Москве, вырезанного в перекрытии для устройства лестницы. Компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния перекрытия при наличии проема выявило значительное изменение характера его работы. По результатам расчетов в зонах опасной концентрации растягивающих напряжений на нижней и верхней поверхностях плиты были наклеены полосы углеродной ткани (рисунок 4) [2].

Рисунок 4. Усиление плиты межэтажного перекрытия с проемом

 Альтернативным решением было подведение под перекрытие металлических двутавровых балок, что создавало для строителей большие трудности по доставке и установке балок в готовом помещении и одновременно уменьшало строительный объем нижнего помещения (из-за устройства подвесного потолка на 35 см ниже поверхности перекрытия).

Аналогичным образом было выполнено усиление несущих стен и перекрытий в процессе перепланировки другого жилого помещения. Устройство проемов в несущих поперечных стенах привело к изменению схемы работы этих стен и перекрытий в зоне проемов. С целью предотвращения возможности недопустимых деформаций по контуру проемов и примыкающих к ним зонах перекрытий были выполнены углепластиковые накладки (рисунок 5).

 

 Рисунок 5. Схемы усиления: а - прямоугольного проема, б - арки

 

Усиление балок

Для повышения (или восстановления) несущей способности балок используются следующие решения:

• устройство железобетонной обоймы;
• устройство внешней листовой или профильной арматуры;
• установка шпренгелей из арматурной стали,
• подведение металлических балок;
• установка портальных рам и проч.

При устройстве железобетонной обоймы необходимо предусматривать мероприятия по соединению старого и нового арматурных каркасов. Так же возникают трудности с обеспечением плотного примыкания и сцепления нового бетона к потолочной поверхности балки даже при применении безусадочных бетонов. Как правило, на стыке слоев остается продольная трещина. Способ усиления балки лентами из углеродных волокон принципиально близок с приклейкой (или установкой на анкера) металлических листов в растянутой зоне.

Продольно наклеиваемые ленты обеспечивают повышение несущей способности, трещиностойкости и жесткости балки на изгибающий момент, а поперечные Н-образные хомуты играют двойную роль - во-первых, они обеспечивают надежное включение лент в работу (играют роль анкеров); во-вторых, повышают несущую способность балки по наклонным сечениям, что особенно важно в приопорных зонах (рисунок 7).

Рисунок 7. Схема усиления балки: а - приопорная зона, б - пролет, в - периодическая анкеровка продольных лент

 

Усиление колонн

Традиционным решением усиления колонн является устройство разнообразных металлических и железобетонных обойм. Как показывает опыт, усиление металлическими обоймами часто выполняется без обеспечения совместной работы с бетоном колонн (без заделки цементным раствором), что резко снижает эффективность усиления. Применение железобетонных обойм сопряжено с увеличением их сечения, что не всегда обеспечивает совместную работу колонн с обоймой из-за низкого сцепления «старого» и «нового» бетонов.

Внешнее армирование из углеродных лент в поперечном направлении колонн позволяет создать обойму из углепластика, ограничивающую их поперечное деформирование. Таким образом, при продольном деформировании и увеличении нагрузок создается круговое (для круглых сечений) или поперечное давление (для прямоугольных сечений), колонны работают в трехосном напряженном состоянии, что увеличивает их несущую способность.

 

Усиление кирпичной кладки

Наряду с традиционными решениями усиления кирпичной кладки:

• устройство натяжных поясов с наружной и внутренней сторон здания;
• устройство металлических накладок;
• устройство железобетонных поясов;
• устройство железобетонной обоймы и др.,

Метод усиления с использованием композитных материалов проще и, во многих случаях, эффективнее. Основой технологии является инъектирование имеющихся трещин специальными растворами, выравнивание поверхности в зоне наклейки лент из углеродных и стеклянных волокон, создание бандажей из композитных материалов с наружной и, при необходимости, с внутренней поверхности (при наличии сквозных трещин). Созданные таким образом бандажи включают в работу большую зону кирпичной кладки (рисунок 8).

Рисунок 8. Усиление кирпичной стены

 

Выводы

1. Следует отметить высокую эффективность усиления композитными материалами строительных конструкций и для предотвращения разрушения при воздействии чрезвычайных ситуаций (взрывов, террористических актов и пр.).
2. Проведенные испытания сооружений, усиленных композитными материалами, показали, что такие конструкции, несмотря на наличие повреждений, предотвращают здание от обрушения, давая необходимое время для эвакуации людей [3].

 

Перечень ссылок:

1. Чернявский, В.Л. Руководство по усилению железобетонных конструк­ций композитными материалами [Текст]/ В.Л.Чернявский, Ю.Г.Хаютин, Е.З.Аксельрод, В.А.Клевцов, Н.В.Фаткуллин. - М.: ООО«ИнтерАква», 2006. 113 с.
2. Чернявский, В.Л. Усиление железобетонных конструкций композитными мате­риалами [Текст]/ Чернявский В.Л., Аксельрод Е.З.//Жилищное строительство. 2003. - №3. - С.15-16.
3. Хаютин, Ю.Г. Повышение надежности железобетонных конструкций при ЧС (зарубежный опыт) [Текст]/ Хаютин Ю.Г., Чернявский В.Л. //Высотные здания. 2007. - №3.