СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ УСИЛЕНИЯ КАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ КАПИТАЛЬНОГО РЕМОНТА ГРАЖДАНСКИХ ЗДАНИЙ

Лихненко Елена Владимировна; Жаданов Виктор Иванович; Аркаев Максим Александрович; Адигамова Земфира Сакратовна

Научная статья УДК 624

DOI 10.51608/26867818_2021_6_37

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ УСИЛЕНИЯ КАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ КАПИТАЛЬНОГО РЕМОНТА ГРАЖДАНСКИХ ЗДАНИЙ

Лихненко Елена Владимировна1, Жаданов Виктор Иванович2 Аркаев Максим Александрович3, Адигамова Земфира Сакратовна4

1, 2, 3, 4 Оренбургский государственный университет, Оренбург, Россия

1 elenalikhnenko@mail.ru

2 organ-2003@bk.ru

3 arkaevrus@mail.ru

4 a3c@inbox.ru

Аннотация. В настоящее время в строительной отрасли большое внимание уделяется современным методикам проведения ремонтно-восстановительных работ каменных зданий, составляющих около 70% объема всего жилищного фонда. В статье представлены материалы результатов обследований и выявление причин деформаций каменной кладки. Предложены варианты проведения восстановительных работ каменных конструкций с применением современных композитных материалов в виде ламелей, полотен, сеток, жгутов, изготавливаемых из полимерных волокон, а также специальных клеящих и штукатурных растворов, спиралевидных стержней из нержавеющей стали, что позволит восстановить и увеличить несущую способность конструкций без остановки эксплуатации здания.

Ключевые слова: композитные материалы, каменные конструкции, деформация, трещина, внешнее армирование, усиление

Для цитирования: Современные методы усиления каменных конструкций с применением композитных материалов при выполнении капитального ремонта гражданских зданий / Е.В Лихненко,

B.И. Жаданов, М.А. Аркаев, З.С. Адигамова // Эксперт: теория и практика. 2021. № 6 (15).

C. 37-44. doi:10.51608/26867818_2021_6_37.

С использованием каменных конструкций возведено множество жилых и общественных зданий, исторических и архитектурных памятников, сохранность которых в значительной степени зависит от своевременного и качественного проведения ремонтных работ [1-2].

Как показывает многолетний опыт обследования каменных конструкций зданий различного назначения, наиболее распространенными причинами образования трещин в несущих стенах и простенках 2-5

этажных жилых домов постройки 50-60-х годов прошлого века являются неравномерные деформации оснований, различные температурные деформации каменных стен и включений в виде металлических и железобетонных перемычек [1, 3].

Трещины могут быть сквозные и односторонние. Так трещины, которые проходят по торцам оконных перемычек, в большинстве своём односторонние, расположенные с наружной стороны стены. Образование трещин в стенах домов, как правило, проис-

ходит в первые годы эксплуатации. В дальнейшем, после стабилизации напряжений и деформаций в грунтах основания, дополнительные деформации могут быть вызваны нарушением условий эксплуатации здания, аварийными порывами коммуникаций и замачиванием грунтов оснований. Образование трещин, вызванных температурными деформациями, может быть спровоцировано аномально низкими температурами наружного воздуха. Как правило, это сквозные, наиболее опасные для здания повреждения.

Основными причинами проведения работ по капитальному ремонту здания и усилению строительных конструкций является несоответствие их технического состояния требованиям строительных норм, правил и федеральных законов из-за нарушений, допущенных при эксплуатации объекта недвижимости [3].

При эксплуатации объектов капитального строительства причиной необходимости усиления может послужить:

- снижение прочности, жёсткости, тре-щиностойкости конструктивных элементов вследствие физического износа конструкций, естественных или ускоренных климатических воздействий;

- изменение условий эксплуатации, функционального назначения здания, исходных расчетных нагрузок.

С появлением инновационных материалов [4-6], в частности, композитов в виде ламелей, полотен, сеток, жгутов, изготавливаемых из углеродных, арамидных и стекловолокон, а также специальных клеящих и штукатурных растворов из неорганических минеральных материалов с модифицированными полимерными добавками, спиралевидных стержней из нержавеющей стали [6, 7, 9] изменилась и технология ремонтно-восстановительных работ с применением внешнего армирования (рис. 1).

Внешнее армирование по видам разделяется на дискретное (рис. 1, а, б, в) и сплошное (рис. 1, г). Дискретное армирова-

ние выполняется из элементов сетчатого типа или отдельных бандажей, полос, лент, охватывающих усиливаемую конструкцию по периметру. Сплошное армирование представляет собой композитную ткань, полностью покрывающую поверхность кирпичной кладки столба или простенка.

Рис. 1. Схемы внешнего армирования каменных конструкций:

а, б, в -дискретное; г - сплошное

Основная идея усиления с использованием внешнего армирования состоит в том, что элементы внешнего армирования, обладая высокой прочностью на растяжение препятствуют поперечным деформациям кладки при осевом сжатии, тем самым сдерживают образование силовых трещин и (или) ограничивают ширину их раскрытия, повышая несущую способность кладки до 200% и более (рис. 2).

Достоинствами усиления композитными материалами являются:

- высокая прочность армирующего компонента;

Рис. 2. Усиление кирпичной стены

- коррозионная стойкость;

- лёгкость монтажа;

- малый вес материалов усиления;

- возможность применения к конструкциям любой формы, сохраняя при этом ее архитектурный облик.

В системе усиления «Fibre Runforced Ce-mentitions Matrix» (FRCM) вместо эпоксидных клеев применены специальные штукатурные растворы с модифицированными полимерными добавками. На очищенную и увлажненную поверхность наносится слой специального штукатурного раствора толщиной 3 мм, в который втапливается одна или две армирующие сетки из композиционных материалов, поверх которой нано-

сится слой специальной штукатурки толщиной 8-10 мм [12-14].

В системе усиления «Ruredilx Mech» используют углеволокнистые сетки, прочность на растяжение которых R=4800 МПа, модуль упругости Е=240 ГПа (рис. 3, 4). Система обладает высокой огнестойкостью, водостойкостью, коррозионной стойкостью, близкими деформативными характеристиками каменной кладки и системы усиления, сопротивляемостью сейсмическим, вибрационным воздействиям [12-14].

При выполнении ремонтных работ бандажи из композитных материалов (рис. 1) в 1 варианте (рис. 1, а) располагали через 1 ряд, во 2 варианте (рис. 1, б) - через 2 ряда кирпича, в 3 варианте (рис. 1, в) - через 3

ряда кирпичей и в последнем 4 варианте (рис. 1, г) образец был полностью обёрнут сеткой и показал максимальное увеличение прочности по сравнению с эталонным образцом (без усиления) в 2,6 раза. Самый высокий показатель эффективности усиления лентами получены при применении лент из углеводородных волокон.

Эффективным способом усиления каменных конструкций зданий является усиление с использованием спиралевидных стержней из нержавеющей стали [9-10], устойчивой к щелочной среде, располагаемых в специально пропиленных пазах в каменных конструкциях (см. рис. 3).

Рис. 4. Усиление облицовочного слоя кладки в трехслойных стенах:

1 - облицовочный каменный слой; 2 - армирующие стержни через 4 ряда кладки; 3 - трещина; 4 - гибкие связи; 5 - горизонтальный шов, заполненный безусадочным ремонтным раствором; 6 - теплоизоляционный слой; 7 - несущий слой

Спиралевидные стержни предназначены для восприятия растягивающих уси-

Ф

лий в каменной кладке и располагаются перпендикулярно к направлению трещины. Такие стержни диаметром 6-14 мм длиной до 10 м могут укладываться с нахлёстом, их можно гнуть, соединять с помощью вязальной проволоки.

Спиралевидные стержни нашли также применение для связи облицовочного кирпичного слоя с несущим слоем в трехслойных стенах (рис. 4), а также при усилении облицовочного слоя каменной кладки (рис. 5).

"№7777777?

Рис. 5. Усиление облицовочного слоя каменной кладки

Спиралевидное ребро позволяет устанавливать связи при помощи вкручивания или забивки в материал основания. Усиление спиралевидными стержнями позволяет устранять практически все распространенные виды повреждений каменных конструкций, сохраняя оригинальный внешний облик здания - ремонт сводов, арочных и всех других видов каменных перемычек, сопряжения стен [11-12]. Спиралевидные стержни применяются в комплекте со спе-

циальными растворами, обеспечивающими надёжную прочность, сцепления с анкером и каменной кладкой, безусадочными, с ограниченным сроком схватывания, корро-зионностойкими.

Рис. 6. Варианты усиления стены с вертикальной трещиной:

а - стена с вертикальной трещиной; б - усиление лентами; в - усиление сетками; г - усиление стержнями

Рис. 7. Варианты усиления стены с наклонной трещиной:

а - стена с наклонной трещиной; б - усиление лентами; в - усиление сетками; г - усиление стержнями

При усилении конструкций со стабилизировавшимися трещинами при обосновании

технико-экономической целесообразности возможно заменить спиралевидные стержни из нержавеющей стали углепластиковыми или стеклопластиковыми [12-14], не уступающими по прочности на растяжение стали. Ан-керовка угле-, стеклопластиковых стержней в растворных швах кладки возможно устроить при помощи высадки головок или утолщений по концам стержней.

С использованием вышеобозначенных элементов усиления возможна реализация следующих способов усиления каменных конструкций с вертикальными и наклонными трещинами (рис. 6, 7).

При выполнении расчетов в рамках разработки усиления необходимо учитывать включение в общую работу конструкции композитных материалов усиления. Так расчет центрально-сжатых элементов производят по формуле:

N < тд • (р • йг/ • А, (1)

где N - расчётная продольная сила;

Аг - площадь сечения полимерного композита, мм2.

^ -расчетное значение сопротивления сжатию кладки, усиленной внешним армированием изполимерных композитов и определяемое по формуле:

КгГ = Я+ р^Щ/100 < 2Я, (2) где К - расчётное значение сопротивления сжатию кладки;

^ - коэффициент продольного изгиба; А - площадь сечения элемента; тд — коэффициент, учитывающий влияние длительной нагрузки; р — коэффициент, принимаемый при пустотности кирпича (камня) до 20 % включительно — 2, при пустотности от 20 % до 30 % включительно — 1,5, при пустотности выше 30 % — 1. д — коэффициент поверхностного армирования полимерным композитом кладки усиливаемой стены, определяемый по формуле:

^ = ^•100, (3)

где Sbd — площадь поперечного сечения полосы (бандажей) из полимерного композита толщиной и высотой hbd, определяемая по формуле:

sbd = 2 • 5bd • hbd, (4) где Sw — площадь участка длинной стороны hw столба, приходящаяся на одну полосу из полимерного композита высотой hbd, определяется по формуле:

Sw = hw• (hbd + Ъ), (5) где Rf — расчетный предел прочности при растяжении полимерного композита, определяемый по формуле:

Rf

V - т", (6)

где у/ - коэффициент надежности по композитному материалу, принимаемый при расчёте по предельным состояниям второй группы равным:

- 1,2 - для однонаправленных углеродных лент;

- 1,3 - для двунаправленных углеродных тканей;

- 1,3 - для стеклокомпозита.

При выполнении наклейки ткани «мокрым» способом (по слою адгезива приклеивается предварительно пропитанная ткань) значения коэффициента надёжности увеличиваются на 15%.

Рис. 8. Схема усиления кирпичного столба

обоймами (бандажами) из полимерных композитных материалов

При выборе конкретных способов усиления каменных конструкций следует руко-

водствоваться их технико-экономическим сравнением в соответствии с целью проведения работ с учетом фактическим технического состояния усиливаемых конструкций.

Сдерживающими широкое внедрение инновационных методов усиления каменных конструкций композиционными материалами факторами являются: сравнительно высокая стоимость материалов и работ; недостаточные экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния каменных конструкций, усиленных композитными материалами; небольшой опыт применения в нашей стране методов усиления каменных конструкции с использованием композитных материалов и элементов.

Данная тема, безусловно, является актуальной и требует дальнейшего изучения и проведения экспериментальных и теоретических исследований.

Список источников

1. Инновационные строительные материалы и технологии: их влияние на развитие градостроительства и городской среды. Мировой опыт, российский взгляд. URL: http://sibfron-tier.ru/wp-content/uploads/2014/06/Doklad-In-novatsionnyie-stroitelnyie-materialyi-i-tehnologii-ih-vliyanie-na-razvitie-gradostroitelstva-i-go-rodskoy-sredyi.-Mirovoy-opyit-rossiyskiy-vzglyad.pdf

2. Дергунова, А.В. Инновационная деятельность в капитальном строительстве / А.В. Дергунова // Вестник Мордовского госуниверситета. -2008. N 4. С. 183-186.

3. Стратегия развития строительной отрасли Российской Федерации до 2030 года. URL: http://stroystrategy.ru/

4. Соболев, К. Современные достижения нанотехнологии в области цемента и бетона / К. Соболев // Цемент и его применение. 2016. №4. С. 96-102.

5. Войтович, В.А. Строительные наномате-риалы / В.А. Войтович // Руководитель строительной организации. 2011. № 2.

6. Фадеева, Г.Д. Рентабельное использование нанотехнологий в строительных материалах / Г.Д. Фадеева, К.С. Паршина, И.В. Марке-

лова // Молодой ученый. 2013. №12(59). С. 187188.

7. Наноструктуры и наноматериалы. Синтез, свойства и применение / Гочжун Цао, Ин Ван; пер. с англ. А.И. Ефимова, С.И. Каргов, науч. ред. В.Б. Зайцев. - М., 2012. 520 с.

8. Фаликман, В.Р. Наноматериалы и нано-технологии в современных бетонах / В. Р. Фаликман // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 1. С. 31-34.

9. Фиговский, О.Л., Успехи применения нанотехнологий в строительных материалах / О.Л. Фиговский, Д.А. Бейлин, А.Н. Пономарев // Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал. 2012. Т. 4. № 3. С. 6-21.

10. Елизаров, С.В. Композиционные материалы, их механико-структурный анализ и некоторые новые области применения / С.В. Елизаров. Автореферат диссертации на соискание

ученой степени д-ра техн. наук: 05.23.05. Санкт-Петербург,2000.

11. Шишакина, О.А. Полимерные композиционные материалы в строительстве / О.А. Шишакина, А.А. Паламарчук // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2019. № 12-2. С. 234-238.

12. Колосова, А.С. Современные полимерные композиционные материалы и их применение / А.С. Колосова [и др.] // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2018. № 5-1. С. 245-256.

13. Композиционные материалы. URL: https://e-plastic.ru/specialistam/compo-site/kompozicionnye-materialy/

14. Габрусенко, В.В. Особенности проектирования конструкций из бетона с композитной арматурой / В.В. Габрусенко // Проектирование и строительство в Сибири. 2013. № 6 (77). С. 20-24.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Информация об авторах

Е.В. Лихненко - кандидат технических наук, доцент кафедры архитектуры, Оренбургский государственный университет;

В.И. Жаданов - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой строительных конструкций, https://orcid.org/0000-0003-2899-5882, Оренбургский государственный университет; М.А. Аркаев - кандидат технических наук, доцент кафедры строительных конструкций, https://orcid.org/0000-0002-1584-8608, Оренбургский государственный университет; З.С. Адигамова - кандидат географических наук, доцент, заведующая кафедрой архитектуры, Оренбургский государственный университет.

Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Статья поступила в редакцию 28.09.2021; одобрена после рецензирования 02.11.2021; принята к публикации 08.11.2021.

Original article

MODERN METHODS OF STRENGTHENING STONE STRUCTURES WITH THE USE OF COMPOSITE MATERIALS WHEN PERFORMING MAJOR REPAIRS OF CIVIL BUILDINGS

Elena V. Likhnenko1, Viktor I. Zhadanov2, Maxim A. Arkaev3, Zemfira S. Adigamova4

i, 2, 3, 4 Orenburg State University, Orenburg, Russia

1 elenalikhnenko@mail.ru

2 organ-2003@bk.ru

3 arkaevrus@mail.ru

4 a3c@inbox.ru

Annotation. Currently, in the construction industry, much attention is paid to modern methods of carrying out repair and restoration works of stone buildings, which are about 70% of the total housing stock. The article presents the survey results and the identification of the causes of masonry de formations. The authors propose variants of carrying out restoration works of stone structures with the use of modern composite materials in the form of lamellas, canvases, nets, bundles made of polymer fibers, as well as special adhesive and plaster solutions, spiral rods made of stainless steel, which will allow restoring and increasing the bearing capacity of structures without stopping the operation of the building.

Keywords: composite materials, stone structures, deformation, crack, external reinforcement, reinforcement

For citation: Modern methods of strengthening stone structures with the use of composite materials when performing major repairs of civil buildings / E.V. Likhnenko, V.I. Zhadanov, M.A. Arkaev, Z.S. Adigamova // Expert: theory and practice. 2021. No. 6 (15). Pp. 37-44. (In Russ.). doi:10.51608/26867818_2021_6_37.

Information about the authors

E. V. Likhnenko - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Architecture, Orenburg State University;

V.I. Zhadanov - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Building Structures, Orenburg State University;

M.A. Arkaev - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Building Structures, Orenburg State University;

Z.S. Adigamova - Candidate of Geographical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Architecture, Orenburg State University.

Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests.

The article was submitted 28.09.2021; approved after reviewing 02.11.2021; accepted for publication 08.11.2021.