CC BY
68
Технико-экономическое сравнение вариантов усиления железобетонных
балок перекрытия
Ю.А. Земляков, А.Ю. Кубасов Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону
Аннотация: В данной статье рассмотрены варианты усиления несущих строительных конструкций и произведены поверочные расчёты на несущую способность с учётом дополнительных нагрузок. Произведено технико-экономическое сравнение вариантов усиления по следующим показателям: масса элементов усиления; стоимость основных материалов, необходимых для усиления; трудоёмкость и стоимость изготовления; трудоёмкость и стоимость выполнения работ по усилению. Анализ вариантов усиления несущих строительных конструкций может помочь в выборе способа усиления несущей способности железобетонных изгибаемых элементов.
Ключевые слова: бетон, несущая способность, железобетон, конструкции, арматура, постоянная нагрузка, прочность, эксплуатационная надёжность, деформации, усиление.
При строительстве и эксплуатации зданий и сооружений часто наблюдаются повреждения строительных конструкций, снижающие прочность, устойчивость, долговечность и эксплуатационную надёжность как всего сооружения в целом, так и отдельных его частей. Повреждения являются следствием различных дефектов и нарушений, допущенных при инженерно-геологических изысканиях на площадке строительства, проектировании сооружения, изготовлении строительных материалов и деталей, строительно-монтажных работах, эксплуатации, а также в экстремальных ситуациях (при пожаре, взрыве, наводнении).
Для обеспечения достаточной прочности, устойчивости зданий и сооружений, возможности их дальнейшей нормальной эксплуатации, а также при реконструкции, когда это связано с необходимостью увеличения нагрузок на существующие конструкции, необходимо усилить повреждённые конструкции (СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003).
Своевременное и правильное усиление строительных конструкций
позволяет резко уменьшить затраты, продлить срок службы зданий и сооружений или предотвратить аварии и обрушения [1,4].
Конструкции усиления проектируют с использованием различных материалов: металла, железобетона, композитов, реже из каменной кладки, древесины и полимеррастворов [5,6,8].
Для правильного выбора способа усиления и восстановления конструкций зданий и сооружений необходимо установить причины, вызвавшие повреждения. Для этого необходимо произвести натурное визуальное или инструментальное обследование, тщательно уточнить действующие нагрузки и определить фактическую прочность материалов конструкций (кладки, бетона, арматуры и т. п.). С учётом полученных при обследовании данных выполняется поверочный расчёт фактической несущей способности конструкций, в котором учитывается влияние имеющихся повреждений (СП 13-102-2003. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений).
По результатам расчёта определяются степень повреждения конструкций и необходимость временного крепления или постоянного их усиления.
Существующие традиционные способы усиления железобетонных конструкций являются трудоёмкими. В отдельных случаях для выполнения усиления необходимо применять достаточно громоздкое оборудование и оснастку (установка лесов, кранового оборудования), а в некоторых случаях даже остановить эксплуатацию сооружения. С другой стороны, они могут быть достаточно простыми в выполнении, что не потребует высоко квалифицированных рабочих, в отдельных случаях есть возможность значительно повысить первоначальную несущую способность усиливаемых конструкций [2,3,7,10].
Отдельно можно выделить способ усиления железобетонных конструкций с применение композитных материалов [12].
Он обладает рядом преимуществ, таких как значительное усиление конструкции, малый вес материала и возможность быстрого монтажа. В свою очередь главным недостатком данного способа является высокая стоимость материала [9,11].
Способы усиления и восстановления поврежденных конструкций зданий и сооружений в значительной степени могут отличаться по технико-экономическим показателям и удобству выполнения, вследствие чего их правильный выбор в каждом конкретном случае является чрезвычайно важным.
Вариант 1. Усиление ригеля междуэтажного перекрытия с помощью предварительно-напряженных затяжек
Расчет произведен по результатам обследования технического состояния строительных конструкций здания.
В качестве предварительно-напряженных затяжек принимаем стержневую арматуру 2018 А500.
Приводим фактическую площадь сечения к площади рабочей арматуры балки класса А400.
2'/' 18 А 5 ОI]
а
Рис. 1. - Сечение элемента до и после усиления
(1)
= = 51,0 •5,09 = 7,Псм
2Й Я(Л400) 35 ,5
где: - расчетное сопротивление арматуры класса А500; ^(А4оо) - расчетное сопротивление арматуры класса А400; Л2 - площадь арматуры, применяемой в качестве затяжек. 2. Вычисление приведенной высоты сечения
Л = Л • К + Л- • ^ = 8,04 •55,15 + 7,П •55 = 55,079см, (2)
"" Л + Лп 8,04 + 7,11 ' ' У'
где Лз - площадь продольной арматуры ригеля;
Лт - приведенная площадь продольной арматуры с учетом затяжек; h0 - рабочая высота сечения;
hoz - приведенная высота сечения с учетом введения в конструкцию ригеля затяжек;
Уь2 - коэффициент, учитывающий длительность действия нагрузки; b - ширина расчетного сечения.
3. Определение высоты сжатой зоны бетона, усиленная затяжками
х = R ■ (Л + Л„) = 35,5 • (8,04 + 7,11) = 21,37см,
Яь •Гь2 • ь 1,15 • 0.9 • 25
(3)
где - расчетное сопротивление продольной арматуры растяжению; Лз - площадь продольной арматуры в ригеле;
Лт - приведенная площадь продольной арматуры с учетом затяжек; Яь - расчетное сопротивление бетона на сжатие; уь2 - коэффициент, учитывающий длительность действия нагрузки; Ь - ширина расчетного сечения.
« = — = -2137- = 0,388 ^ « = 0,626. Ь0 55,079 Я
(4)
4. Проверка ограничения, которое накладывается на высоту сжатой зоны изгибающих элементов
со = 0,085 -0,008•/ь2 • Яь = 0.85 -0.008• 0.9• 11.5 = 0,7672;
(5)
ю - характеристика сжатой зоны бетона;
5. Определение относительной высоты сжатой зоны:
(6)
где бж - напряжение в арматуре (МПа), принимаемое для данного класса, в нашем случае бsR =
бвс,и - предельное напряжение в арматуре сжатой зоны. т.к., £ = 0,388 = 0,626, условие выполняется. 6. Определение момента способного выдержать сечением
м = ат '7и2 • R • b • = 0.305 • 0.9 • 1.15 • 25 • 55.0792 = 239,41 кНм,
(7)
значит, действующая нагрузка будет воспринята конструкцией и положение затяжек оставляем без изменений
7. Определение усилия необходимого для предварительного натяжения затяжек
Данное усилие определяется исходя из следующего отношения:
Определяем необходимую величину предварительного напряжения
где Rsn =590 МПа - нормативное сопротивление арматуры растяжению. Вариант 2. Запроектировано усиление из углепластика компании SIKA AG (Switzerland) со следующими характеристиками:
Я2 = Я2 = 27
= 2,7.
q 0.5 • q1 0.5 • 20
(8)
Усилие необходимое для натяжения затяжек будет равно: бп= 0,492ПЛИ =0,492П590 =290,28 МПа,
модуль упругости Ef = 170000 МПа; прочность Rf = 3100 МПа;
— ширина ь = 350 мм;
— толщина = 1,2 мм;
— количество слоев, п = 2;
— растянутая арматура А400, площадь сечения Л3 = 452 мм (4012);
— сжатая арматура А240, площадь сечения Лг5 = 236 мм (3010).
Для балки при расчете были установлены объем материалов, стоимость
углепластика и арматуры:
— А400(0 12) вес арматуры равен 33,4 кг. Стоимость 816 рублей.
— А240(0 10) вес арматуры равен 1,5 кг. Стоимость 486 рублей.
— Углепластик 81каСагёоБиг512 - Б = 11,33 м2, стоимость 27 873 руб.
Вариант усиления балки с устройством дополнительной центральной опоры с усилением напряжёнными стержнями целесообразен для зданий, где есть необходимость разделения общей площади на отдельные помещения.
Вариант усиления путем устройства дополнительных затяжек для растянутых элементов целесообразен в случаях, когда не требуется значительное усиление, существует необходимость быстрого ввода конструкции в эксплуатацию и когда необходимо сохранить полезный объём здания.
Технико-экономическое сравнение вариантов усиления
Сравнение вариантов усиления производится по следующим показателям: масса элементов усиления; стоимость основных материалов, необходимых для усиления; трудоёмкость и стоимость изготовления; трудоёмкость и стоимость выполнения работ по усилению.
Технико-экономические показатели представлены в таблице № 1. Анализируя показатели, представленные в таблице, можно сделать следующие выводы: в случае усиления с использованием стекловолокна затраты получатся сопоставимы с другими способами, это обусловлено тем,
что стекловолокно самый дешевый композитный материал, но, если использовать в качестве усиления углеволокно, затраты возрастут более чем в 2 раза, при таком же объёме материалов. Также можно отметить малый вес данного способа и малые затраты на оплату работ по усилению.
Таблица № 1
Технико-экономические показатели способов усиления
№ п/п Технико-экономические показатели Способ усиления
Усиление стекло-пластиком Усиление жёсткой опорой с дополнительными затяжками Усиление балки подведением упругой опоры Усиление балки композитным материалом
1 Вес конструкции усиления, кг 18 235* 201 24
2 Норма затрат труда рабочих на изготовление конструкции усиления, чел.-ч - 15,08 14,7 1,52
3 Норма затрат труда рабочих на монтаж конструкции усиления, чел.-ч. 63,25 75,37 71,11 7,5
4 Нормы затрат машинного времени, маш.- ч. 7,94 2,16 2,02 -
5 Продолжительность выполнения монтажа конструкций усиления, ч. 29,5 28,9 23,68 7,0
6 Заработная плата рабочих, руб. 566,79 2543,96 1896,33 1156,24
7 Заработная плата механика, руб. 371,03 121,60 115,43 -
8 Стоимость 15701,8 11770,4 8511,1 29175,1
материала, руб.
9 Общие затраты, руб. 16639,68 14435,93 10522,86 30331,24
Примечание: * - в вес конструкций усиления не включены колонна и бетон замоноличивания колонны в стакан фундамента.
Данный метод является самым продолжительным, т.к. требует больше времени на подготовку бетона перед усилением.
Усиление затяжками является самым быстрым по времени выполнения монтажа, т.к. основная часть работ, связанная с изготовлением металлоконструкций, выполняется за пределами здания и не требует применения техники.
Литература
1. Клюев С.В., Гурьянов Ю.В. Внешнее армирование изгибаемых фибробетонных изделий углеволокном // Инженерно-строительный журнал.
- 2013. - №1 (36). - С. 21 - 26.
2. Кубасов А.Ю., Маилян Д.Р. К вопросу закрытия технологических трещин в железобетонных фермах с комбинированным преднапряжением арматуры // Научное обозрение. - 2015. - №10. - С. 170 - 172.
3. Маилян Д.Р., Кубасов А.Ю. К вопросу обеспечения устойчивости арматурных стержней при их предварительном сжатии // Научное обозрение.
- 2015. - №10. - С. 173 - 176.
4. Польской П.П., Маилян Д.Р. Композитные материалы - как основа эффективности в строительстве и реконструкции зданий и сооружений // Инженерный вестник Дона, 2012, №4 (часть 2), URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1307.
5. Польской П.П., Хишмах Мерват, Михуб Ахмад. К вопросу о деформативности балок из тяжелого бетона, армированных стеклопластиковой и комбинированной арматурой // Инженерный вестник Дона, 2012, №4 (часть 2), URL: ivdon.ru/ magazine/archive/n4p2y2012/1308.
6. Польской П.П., Маилян Д.Р., Мерват Хишмах, Кургин К.В. О деформативности изгибаемых элементов из тяжелого бетона при двухрядном расположении углепластиковой и комбинированной арматуры // Инженерный вестник Дона, 2013, №4, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2094.
7. Польской П.П., Георгиев С.В. Вопросы исследования сжатых железобетонных элементов, усиленных различными видами композитных материалов // Инженерный вестник Дона, 2013, №4, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2134.
8. Маилян Д.Р., Польской П.П. Прочность и деформативность вновь усиленных композитными материалами балок, при различных варьируемых факторах // Инженерный вестник Дона, 2013, №2, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1676.
9. Маилян Д.Р., Польской П.П., Георгиев С.В. Методики усиления углепластиком и испытания коротких и гибких стоек // Научное обозрение, 2014, №10, ч.2. С. 415-418.
10. Mailyan, D., Kubasov, A., Mailyan, L. Ecological-Economic and Technical Advantages of Reinforced Concrete Girders with Combined Reinforcement/MATEC Web of Conferences. 2016. // URL: matec-conferences.org/articles/matecconf/abs/2016/36/matecconf_tpacee2016_04019/mat ecconf_tpacee2016_04019.html.
11. Mailyan, D., Mailyan, L. Ecologically Safe and Techno Economically Efficient Reinforced Concrete Constructions of Equal Resistance // MATEC Web of Conferences. 2016. // URL: matec-conferences.org/articles/matecconf/abs/2016/ 36/matecconf_tpacee2016_04020/matecconf_tpacee2016_04020.html.
12. Polskoy, P.P., Mailyan, D.R., Dedukh, D.A., Georgiev, S.V. Design of reinforced concrete beams in a case of a change of cross section of composite strengthening reinforcement // Global Journal of Pure and Applied Mathematics. 2016. V. 12. № 2. pp. 1767-1786.
References
1. Klyuev S.V., Guryanov YU.V. Inzhenerno-stroitelnyj zhurnal. 2013. №1 (36), pp. 21-26.
2. Kubasov A.YU., Mailyan D.R. Nauchnoye obozreniye. 2015. №10, pp. 170172.
3. Mailyan D.R., Kubasov A.YU. Nauchnoye obozreniye. 2015. №10, pp. 173 - 176.
4. Pol'skoy P.P., Mailyan D.R. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №4 (chast' 2). URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1307.
5. Pol'skoy P.P., Khishmakh Mervat, Mikhub Akhmad. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012. №4. URL: ivdon.ru/ magazine/archive/n4p2y2012/1308.
6. Pol'skoy P.P., Mailyan D.R., Mervat Khishmakh, Kurgin K.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2094.
7. Pol'skoy P.P., Georgiyev S.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2134.
8. Mailyan D.R., Pol'skoy P.P. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1676.
9. Mailyan D.R., Pol'skoy P.P., Georgiyev S.V. Nauchnoye obozreniye, 2014, №10, pp. 415-418.
10. Mailyan, D., Kubasov, A., Mailyan, L. MATEC Web of Conferences. 2016. URL: matec-conferences.org/articles/matecconf/abs/2016/36/matecconf_tpacee 2016_04019/matecconf_tpacee2016_04019.html.
11. Mailyan, D., Mailyan, L. MATEC Web of Conferences. 2016. URL: matec-
conferences.org/articles/matecconf/abs/2016/36/matecconf_tpacee2016_04020/ matecconf_tpacee2016_04020.html.
12. Polskoy, P.P., Mailyan, D.R., Dedukh, D.A., Georgiev, S.V. Global Journal of Pure and Applied Mathematics. 2016. V. 12. № 2, pp. 1767-1786.
