CC BY
36УДК 69
doi:10.52470/2619046X_2020_1_21
УСИЛЕНИЕ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КОМПОЗИТНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ
Е.К. Салатов, А.С. Багай, С.В. Белкина
Аннотация. В работе показаны особенности применения композитных материалов для усиления деревянных конструкций зданий и сооружений. Усиление элементами из композитных материалов - эффективная технология, позволяющая восстановить или существенно повысить несущую способность деревянных строительных конструкций.
Ключевые слова: композитные материалы, углекомпозиты, усиление, деревянные конструкции.
REINFORCING TIMBER STRUCTURES WITH COMPOSITE MATERIALS
E.K. Salatov, A.S. Bagay, S.V. Belkina
Abstract. This study shows the features of using composite materials to reinforce the timber structures of buildings and structures. Reinforcement with composite material elements is an effective technology to restore or significantly increase the bearing capacity of timber structures.
Keywords: composite materials, carbon composite, reinforcement, timber structures.
Задачи реконструкции и усиления строительных конструкций чаще всего возникают при длительной по времени эксплуатации зданий и сооружений различного назначения. Усиление строительных конструкций, в том числе и деревянных, представляет собой неотъемлемую часть процессов, протекающих в период эксплуатации зданий и сооружений. При этом необходимо отметить, что расходы, связанные с усилением эксплуатируемых строительных конструкций, могут оказаться значительно меньше, чем затраты, необходимые для их демонтажа и замены на новые.
Задача усиления существующих строительных конструкций при реконструкции или восстановлении усложняется, когда здание (сооружение) относится к объектам культурного наследия. При этом возникает необходимость максимально сохранить существующие старые конструкции и их внешний вид. Обеспечить эти требования, при условии сохранения или увеличения несущей способности, возможно путем их усиления с использованием полимерных композитных материалов.
Необходимость сохранения наибольшего объема исторического материала является очень сложной задачей при работе с деревянной исторической постройкой. Идеальный подход к реставрации деревянных объектов культурного наследия - это полное соответствие историчности с максимальным сохранением подлинных элементов при минимальном вмешательстве в конструкции исторической постройки, которые не удовлетворяют современным требованиям по надежности и требуют усиления [3].
В нашей стране находится множество зданий дореволюционной постройки. У большинства из этих зданий перекрытие - это деревянная балочная система, которая в большинстве случаев либо никогда не менялась, либо менялась очень давно, а значит, вопрос усиления деревянных перекрытий является весьма актуальным.
Плохое состояние деревянных балочных конструкций происходит вследствие повреждения целостности древесины. Перепады температуры, влажности, повреждение насекомыми приводит к деформированию балок перекрытий. Под воздействием постоянных и временных нагрузок прогибы балок могут достигать предельно допустимой нормами величины в 1/300 длины пролета и при значениях прогибов превышающих эту величину - балки необходимо усилить. В случаях, когда происходит реконструкция чердака под мансарду или жилое помещение, также возрастают постоянная и временная полезная нагрузки, вследствие чего требуется увеличение сечений деревянных несущих конструкций [2].
Усиление композитными материалами, как метод восстановления и увеличения несущей способности конструкций, успешно используется в мировой практике в течение нескольких десятилетий и является неоспоримым инновационным достижением в области строительных технологий [1]. В строительстве применение полимерных композитов при усилении строительных конструкций в основном относятся к железобетонным элементам, и в значительно меньшей степени - к другим конструкциям, в том числе, выполненным из древесины.
Применение элементов усиления из композитных материалов применительно к деревянным конструкциям для восстановления и повышения несущей способности, сниженной, например, в результате механических и биологического повреждений, значительных деформаций (прогибов) или при необходимости увеличения эксплуатационных нагрузок, если нет возможности произвести другие виды усилений, оправдано в следующих случаях:
- при отсутствии возможности разгрузить конструкцию перед усилением (ремонтом);
- при необходимости выполнения работ по усилению без прекращения эксплуатации здания (сооружения);
- при значительной отдаленности и труднодоступности усиливаемых зданий и сооружений;
- при стесненности и относительной недоступности зон усиления (ремонта).
Основными преимуществами усиления деревянных конструкций элементами, выполненными из композитных материалов, являются:
- отсутствие существенного увеличения собственного веса конструкции и ее деформатив-ности;
- универсальность в применении, в том числе, в угловых соединениях, а также на закругленных поверхностях с любым радиусом кривизны;
- возможность применять в наиболее напряженных зонах усиливаемых сечений композитные материалы с контролируемой деформативностью;
- исключительная коррозионная устойчивость элементов из композитных материалов;
- отсутствие необходимости при монтаже усиливающих элементов привлекать тяжелую грузоподъемную технику;
- высокая скорость и низкая трудоемкость выполнения работ по усилению, отсутствие дополнительных затрат при последующей эксплуатации;
- практически полное сохранение внешнего вида элемента сооружения, имеющего архитектурную или историческую ценность.
Традиционные приемы усиления деревянных конструкций, как правило, связаны с изменением статической схемы, при этом они оказывают существенное влияние на эстетический вид конструкции и уменьшают полезное пространство в помещении. Часто это является нежелательным, а при усилении конструкций культурного наследия - недопустимым. Поэтому в таких случаях целесообразно усиление армированием композитными полимерными элементами, которое позволяет значительно повысить несущую способность и жесткость деревянной конструкции без изменения ее внешнего вида.
Одним из наиболее перспективных способов усиления деревянных конструкций является внешнее армирование полимерными волокнами и композитной тканью. Имеются следующие виды усиления деревянных конструкций с применением композитных материалов, это:
- приклейка композитной ткани к поверхности (чаще растянутой) - внешнее армирование;
- приклейка композитной ткани между слоями древесины в швах клееных конструкций (внутреннее армирование);
- вклейка композитных элементов в предварительно подготовленные пропилы (этот способ применяется в случае, если необходимо максимально сохранить первоначальный вид и сделать незаметными сами элементы усиления, пропилы предпочтительней вертикальные - для минимального нарушения целостности сечения);
- устройство обоймы из композитной ткани (этот способ применяется при возникновении усушечных продольных трещин, что может привести к полному разрушению конструкции).
В настоящее время наиболее перспективными для применения в качестве материала для усиления деревянных конструкций являются композиты, армированные углеродным волокном - высокопрочным, высокомодульным, линейно упругим материалом. Углекомпозиты производятся с заранее прогнозируемыми свойствами, наилучшим образом соответствующими требуемым прочностным свойствам и условиям эксплуатации конструкций [1].
Из углеволокон производятся ленты, холсты и сетки. В последнее время имеет место тенденция более широкого распространения холстов. Это связано с их высокими механическими характеристиками, простотой монтажа и обеспечением более надежной анкеровки. Углеволоконные полимерные материалы подразделяются на несколько типов - высокопрочные, высокомодульные и среднемодульные углекомпозиты.
Для усиления деревянных конструкций наиболее эффективно применять композитные элементы на основе углеродных волокон с модулем упругости, равным или минимально отличающимся от модуля упругости материала усиливаемого элемента и максимально высокой прочности. То есть наиболее целесообразно применять углеволокно с модулем упругости не менее 300 000 МПа.
Технологически усиление конструкций производится полимерными лентами, ламелями, холстами или сетками. Например, для балочных конструкций усиление производится путем установки композитных элементов в средней части пролета со стороны наиболее растянутого волокна или для усиления сжатой зоны. Монтаж усиливающих элементов производится после соответствующей обработки поверхности усиливаемой конструкции и нанесения адгезионного клеевого слоя.
Целесообразность применения полимерных композитных материалов при усилении существующих деревянных конструкций обусловлена несколькими факторами. Главный из них - это высокие прочностные характеристики, которые могут компенсировать выявленные пороки и повреждения в деревянных несущих элементах. Второе достоинство композитов состоит в их относительно малой плотности, что позволяет не увеличивать габариты и нагрузку на фундамент при усилении. Третье достоинство - это высокая устойчивость к воздействию химически агрессивных сред.
К преимуществам полимерных композитов также относится и сравнительно простой их монтаж, что важно при производстве работ на конструкции, находящейся в проектном положении и при ограниченном доступе к ней.
Сдерживающими факторами расширения усиления полимерными композитами деревянных конструкций можно считать отсутствие нормативной базы и специальных руководств по проектированию, а также недостаточный объем исследований в этом направлении.
В 2005 г. были выпущены итальянские нормы по проектированию усиления деревянных конструкций с применением полимерных композитных материалов [4]. Это руководство включает общие положения по проектированию, требования к древесине, композитам и адгезивам. В нем приведены примеры успешно выполненных работ по усилению несущих деревянных конструкций в зданиях и сооружениях исторического культурного наследия Италии, таких как Дворец Палаццо Нобиле в г. Лукка, Дворец Палаццо Колликола в г. Сполето и другие.
В нашей стране по инициативе Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства РФ при участии «Союза производителей композитов» и лаборатории деревянных конструкций ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко разработан проект нового СП «Конструкции деревянные. Правила ремонта и усиления полимерными композитами», который должен расширить возможности для более широкого применения нового метода усиления с использованием композитных материалов.
Таким образом, применение при усилении строительных деревянных конструкций композитных материалов вместо традиционных способов усиления должно принести к восстановлению или повышению несущей способности и увеличению их надежности. Эта относительно новая технология, требует дальнейшего детального изучения с последующей разработкой нормативной базы по проектированию в части усиления деревянных конструкций зданий и сооружений композитными материалами.
Библиографический список
1. Дмитриев В.Г., Салатов Е.К. Применение углекомпозитов при реконструкции зданий и сооружений транспортной инфраструктуры // Внедрение современных конструкций и передовых технологий в путевое хозяйство. 2016. Т. 9. № 9 (9).
2. Полякова Н.А. Современный способ усиления деревянных балок в объектах культурного наследия // Молодой ученый. 2019. № 23 (261).
3. Чермных В.А., Шутова О.А. Анализ применения композитных материалов для усиления деревянных конструкций на объекте культурного наследия // Современные технологии в строительстве. Теория и практика. 2020. № 2.
4. CNR-DT 201/2005 Guidelines for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Existing Structures. Timber structures. Preliminary study. ROME -CNR, 2007.
Е.К. Салатов
кандидат технических наук
доцент кафедры зданий и сооружений на транспорте
Российская открытая академия транспорта Российского университета транспорта (МИИТ), г. Москва E-mail: e.salatov@mail.ru
А.С. Багай
магистрант
Российская открытая академия транспорта Российского университета транспорта
(МИИТ), г. Москва
E-mail: anastas.s92@mail.ru
С.В. Белкина
магистрант
Российская открытая академия транспорта Российского университета транспорта
(МИИТ), г. Москва
E-mail: belkinasveta@rambler.ru
