CC BY
15Применение композитных материалов при усилении
^ V V V
железобетонных конструкции здании и сооружении, эксплуатирующихся в агрессивных средах
сч о сч
СП О!
о ш т
X
<
т О X X
Волгин Андрей Сергеевич,
аспирант, Восточно-Сибирский университет технологий и управления, volgin.andrei1993@yandex.ru
Иванов Игорь Алексеевич,
д-р техн. наук., доц., Восточно-Сибирский университет технологий и управления, ivanova-2006@mail.ru
В статье приводится описание технологии усиления элементов из железобетона посредством использования современных композитных материалов в виде лент из углепластика. На базе выполненного контент-анализа и литературного анализа исследований, направленных на исследование современных композитных материалов и конструкций, предложена технология, направленная на усиление элементов, которые способны изгибаться (к ним относятся стропильные балки из железобетона) и элементов, которые сжаты внецентренно (к ним относятся стойки специализированных технологических эстакад). Описанная в данной статье технология является эффективной и универсальной для современного производства. Это объясняется такими ее характеристиками как возможность усиления любых конструкций, сохранение первоначальных конструкционных размеров, прочный контакт между объектом усиления и самой конструкцией, отказ от сварочных элементов и работ, отсутствие необходимости выполнения демонтажных работ. В качестве недостатков необходимо обозначить повышенные требования к персоналу, которые будут выполнять данные работы, и необходимость создания фасок в зонах углов. Ключевые слова: композитный материал, углепластик, железобетонные конструкции, стропильные балки, технологические эстакады
Повышение несущей способности конструкций из железобетона, использующихся при строительстве зданий и различного рода сооружений представляет собой актуальную стратегически важную задачу. Данная проблема является актуальной на сегодняшний день, так как отмечается повышение подвижных нагрузок на транспортных сооружениях различных типов, а также ошибок в ходе строительства и дефектов, которые появляются непосредственно в ходе эксплуатации возведенного сооружения, здания, конструкции.
Сегодня наиболее перспективным способ усиления элементов из железобетона представляется использование специализированных композитных материалов, в которых основным веществом является углепластик или углеводородное волокно. Технологию нельзя назвать инновационной, так как она была разработана в 70-х гг. прошлого века. Однако на территории Российской Федерации технология стала использоваться в 2002 г. Важно учитывать, что низкие темпы внедрения использования углепластиков для повышения прочности и прочих характеристик современных строительных конструкций были связаны с отсутствием соответствующей нормативно-правовой базы, которая регламентировала бы контроль качества и методику расчета. Полученные результаты исследований открыли возможность создать ряд нормативно-правовых документов, что увеличило потенциал использования углепластиков и существенно расширило сферу их использования.
Проанализированный опыт технического обследования и эксплуатации зданий различных уровней и типов демонстрирует, что большая часть конструкций используется в условиях агрессивных сред. Это ведет к ухудшению качеств материалов и сокращению сечений материалов при параллельном сокращении их долговечности и надежности [1]. Степень нарушения несущих конструкций в ходе данных процессов различается, исходя из точки нахождения, интенсивности нагрузок, эксплуатационной среды. Ряд строительных предприятий на основе оценок технического состояния являются ограниченными в плане работоспособности или находятся в аварийном состоянии, поэтому для их использования в дальнейшем необходима реализация мер, ориентированных на усиление и планомерное восстановление [2, 3]. В данном случае стратегически значимым является тот факт, что усиление и восстановление конструкций должно реализовываться без остановки всего технологического процесса.
На базе выполненного контент-анализа и литературного анализа исследований, направленных на исследование современных композитных материалов и конструкций, предложена технология, направленная на усиление элементов, которые способны изгибаться (к ним относятся стропильные балки из железобетона) и элементов, которые сжаты внецентренно (к ним отно-
сятся стоики специализированных технологических эстакад). Работы в рамках данной технологии продемонстрированы на рисунках 1, 2, 3.
Ведущим дефектом стропильных балок на сегодняшний день являются появляющиеся трещины и деформации, а дефектом стоек являются силовые трещины, которые появляются по направлению рабочей арматуры, что говорит о повреждении сцепления между бетоном и непосредственно самой арматурой. В рассмотренных случаях усиление осуществлялось посредством специализированной системы внешнего армирования. Данная система
представляет собой совокупность эпоксидных связующих, бандажей (располагаются поперек), покрытия для защиты от огня и продольных лент из углепластиков [4, 5].
Характеристики усиливающих элементов и схема их размещения подбирались индивидуально для каждой задачи, исходя из выполненных проверочных расчетов, в ходе которых обязательно учитывались имеющиеся нарушения. Важно отметить, что усиления в элементах, которые предназначались для статически неопределимых конструкций, рассчитывались с возможностью их последующего перераспределения.
Рис.1 - Усиление балок из железобетона посредством использования современных композитных материалов, выполненных в виде лент из углепластика
X X О го А С.
X
го т
о
Рис. 2 - Схема размещения элементов для выполнения усиления конструкции
Было выявлено, что наиболее эффективной технологией усиления является описываемая далее технология. Конструкции стоек эстакады, которые усиливаются внецентренным способом, укрепляются посредством
организации вокруг их сечения бандажей, в которых волокна располагаются перпендикулярно по отношению к продольной оси. Укрепление балочных конструкций, которые могут изгибаться, выполняется посредством
ю
2 О
м
наклейки лент из углеплатика. При этом наклейка выполняется на нижнюю реберную поверхность, волокна располагаются вдоль оси элемента или конструкции, которые укрепляются. Альтернативный вариант - в зоне вокруг опоры располагаются наклонные хомуты, в которых волокна располагаются перпендикулярно по отношению к балочной продольной оси. До того, как осуществляется наклейка элементов для усиления, обязательно выполняется выравнивание поверхностей контакта, также в обязательном порядке устраняются все выявленные локальные дефекты. На наружных углах
делаются фаски, катет которых составляет от 1 до 2 см. Альтернативный вариант - углы закругляются, при этом радиус скругления не превышает 2 см. На внутренних углах рекомендуется делать галтель, радиус которой составляет минимум 20 см. Далее осуществляется продольное армирование, делается 2 слоя, наклейка бандажей является однослойной. Для придания огнестойкости и увеличения срока эксплуатации завершающей стадией является оштукатуривание поверхностей, для этого используется цемент М75, оптимальная толщина слоя штукатурки составляет от 0.2 м.
Рис. 3 - Наклейка на распорки и стойки эстакад специализированных композитных материалов, выполненных в виде лент из углепластика
С4
0
сч
СП
01
О Ш Ш X
<
m о х
X
В ходе работ по усилению обязательно выполняется входной, текущий и приемочный контроль согласно установленным нормативно-правовым актам [6, 7, 8, 9, 10]. После реализации описанных работ за элементами осуществляется мониторинг. Выполненное инструментальное обследование продемонстрировало прекращение воздействия деформационных и силовых воздействий.
В описанных работах использовалась лента типа FibARM Tape - 530/300/ и адгезит FibArm Resin 530+. Для выравнивания применялся Специализированный материал FibArm Repaar FS.
Таким образом, описанная технология является эффективной и универсальной для современного производства. Это объясняется такими ее характеристиками как возможность усиления любых конструкций, сохранение первоначальных конструкционных размеров, прочный контакт между объектом усиления и самой конструкцией, отказ от сварочных элементов и работ, отсутствие
необходимости выполнения демонтажных работ. В качестве недостатков необходимо обозначить повышенные требования к персоналу, которые будут выполнять данные работы, и необходимость создания фасок в зонах углов.
Литература
1. А.Е. Лапшинов. Перспективы применения неметаллической композитной арматуры в качестве рабочей ненапрягаемой в сжатых элементах // Вестник МГСУ. 2015. №10. URL: https://cyberlemnka.ru/artide/n/perspektivy-priiTienemya-nemetaNicheskoy-kompozitnoy-aririatury-v-kachestve-rabochey-nenapryagaemoy-v-szhatyh-elementah (дата обращения: 05.08.2021).
2. Классификация полимерных композиционных материалов, применяемых для усиления искуственных сооружений / С.А. Бокарев, А.А. Неровных, С.В. Ефимов // Политранспортные системы. Материалы VIII Международной научно-технической конференции в рамках года
науки Россия - ЕС «Научные проблемы реализации транспортных проектов в Сибири и на Дальнем Востоке» - Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2015. - 301 с.
3. Трещинообразование в железобетонных элементах мостов, усиленных полимерными композиционными материалами / С.А. Бокарев, В.А. Слепец // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. - Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2015. - №3. - 152 с.
4. А.Э. Солиман, А.Г. Юрьев, Л.А. Панченко. Углепластики в управляемых конструкциях // Вестник БГТУ имени В. Г. Шухова. 2009. №3. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ugleplastiki-v-upravlyaemyh-konstruktsiyah (дата обращения: 05.08.2021).
5. С.С. Малаховский, А.Н. Панафидникова, Н.В. Ко-стромина, В.С. Осипчик Углепластики в современном мире: их свойства и применения // Успехи в химии и химической технологии. 2019. №6 (216). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ugleplastiki-v-sovremennom-mire-ih-svoystva-i-primeneniya (дата обращения: 05.08.2021).
6. ГОСТ 27751-2014 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения.
7. ГОСТ Р 31937-2011. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния.
8. СП 13-102-2003 Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений.
9. Федеральный закон 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности.
10. СП 164.1325800.2014 «Усиление железобетонных конструкций композитными материалами».
References
1. A.E. Lapshinov. Prospects for the use of non-metallic composite
reinforcement as a working non-stressed in compressed elements // Vestnik MGSU. 2015. No. 10. URL:
https://cyberleninka.ru/article/n/perspektivy-primeneniya-nemetallicheskoy-kompozitnoy-armatury-v-kachestve-rabochey-nenapryagaemoy-v-szhatyh-elementah (date of access: 05.08.2021).
2. Classification of polymer composite materials used to strengthen artificial
structures / S.A. Bokarev, A.A. Nerovnykh, S.V. Efimov // Political transport systems. Materials of the VIII International Scientific and Technical Conference within the framework of the Russia-EU Year of Science "Scientific problems of the implementation of transport projects in Siberia and the Far East" - Novosibirsk: Publishing house of sgups, 2015. - 301 p.
3. Cracking in reinforced concrete elements of bridges reinforced with
polymer composite materials / S.A. Bokarev, V.A. The blind man // Bulletin of the Siberian State University of Railways. - Novosibirsk: Publishing house of SGUPS, 2015. - No. 3. - 152 p.
4. A.E. Soliman, A.G. Yuriev, L.A. Panchenko. Carbon plastics in controlled
structures // Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2009. No. 3. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ugleplastiki-v-upravlyaemyh-konstruktsiyah (date of access: 05.08.2021).
5. S.S. Malakhovsky, A.N. Panafidnikova, N.V. Kostromina, V.S. Osipchik
Carbon fiber reinforced plastics in the modern world: their properties and applications // Advances in chemistry and chemical technology. 2019. No. 6 (216). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ugleplastiki-v-sovremennom-mire-ih-svoystva-i-primeneniya (date accessed: 05.08.
6. GOST 27751-2014 Reliability of building structures and foundations. Basic
provisions.
7.GOST R 31937-2011. Buildings and constructions. Rules for inspection and monitoring of technical condition.
8. SP 13-102-2003 Rules for the inspection of load-bearing building structures
of buildings and structures.
9. Federal Law 123-FZ "Technical Regulations on Fire Safety Requirements.
10. SP 164.1325800.2014 "Reinforcement of reinforced concrete structures with composite materials".
The use of composite materials in the reinforcement of reinforced concrete structures of buildings and structures operating in aggressive environments Volgin A.S., Ivanov I.A.,
East-Siberian state distinctive University of technology distribution and
management JEL classification: L61, L74, R53
The article describes the technology of reinforcing reinforced concrete elements through the use of modern composite materials in the form of carbon fiber strips. Based on the performed content analysis and literature analysis of studies aimed at studying modern composite materials and structures, a technology was proposed aimed at strengthening elements that are capable of bending (these include reinforced concrete rafter beams) and elements that are compressed eccentrically (these include racks of specialized technological overpasses). The technology described in this article is effective and versatile for modern production. This is explained by its characteristics such as the ability to strengthen any structures, preservation of the original structural dimensions, strong contact between the reinforced object and the structure itself, the rejection of welding elements and work, the absence of the need to perform dismantling work. As disadvantages, it is necessary to designate increased requirements for personnel who will perform these works, and the need to create chamfers in the corner zones.
Keywords: composite material, carbon fiber reinforced plastic, reinforced
concrete structures, roof beams, technological overpasses
X
ro m
о
ю
2 О
to
