2 10. Усиление строительных конструкций путем приклейки элементов внешнего армирования

2.6.10.Усиление строительных конструкций путем приклейки элементов внешнего армирования.Необходимость в усилении строительных конструкций путем приклейки элементов внешнего армирования из высокопрочного и высокомодульного материала появляется в следующих основных случаях:— повреждение строительной конструкции, которое привело к снижению её несущей способности, жесткости и трещиностойкости;— изменение условий эксплуатации, выражающееся, прежде всего, в изменении величины, характера и расположения нагрузок;— изменение расчетной схемы конструкции;— необходимость повысить надежность и долговечность конструкции. Для обеспечения эффективного усиления технология должна гарантировать выполнение следующих условий:— возможность монтажа элементов внешнего армирования на конструкции естественной влажности;— возможность надежной приклейки к любым строительным материалам, которая обеспечивает передачу усилий со строительной конструкции на элемент внешнего армирования;— механические свойства материалов, применяемых при усилении должны быть стабильны во времени. Это относится как к монтажному клею, так и к элементу армирования;— модуль упругости и прочность элемента внешнего армирования должны быть представлены достаточно широкой линейкой, для эффективного применения на различных конструкциях из разных материалов. Перечисленным выше требованиям вполне отвечают элементы внешнего армирования из высокопрочных и высокомодульных искусственных волокон, прежде всего углеродных и арамидных. Наибольшее распространение получили углеродные волокна, имеющие наилучшее на сегодняшний день соотношение цена/качество.Углеродное волокно производится в трех странах: США, Япония и республики бывшего СССР. Наибольшее распространение в изделиях для усиления получили элементы внешнего армирования из углеволокна японского производства.Применение углеродного волокна в качестве внешнего армирования строительных конструкций насчитывает примерно 40-летнюю историю. На сегодняшний день имеют тысячи объектов, усиленных по этой технологии. Технология усиления строительных конструкций с применением элементов внешнего армирования из углеволокна тесно связана с технологиями ремонта и восстановления строительных конструкций в целом.Данная технология является в настоящий момент самым современным и «бережным» методом восстановления и повышения эксплуатационных характеристик строительных конструкций.Усиление железобетонных конструкций.Повреждения железобетонных конструкций, как правило, связаны с различными коррозионными повреждениями, перегрузкой отдельных элементов и неправильной эксплуатацией, ошибок проектирования и производства работ.Часто требуется обеспечить надежную эксплуатацию уникальных, дорогих, исторически значимых конструкций, демонтаж и замена которых значительно дороже ремонта или невозможна вообще. Это, прежде всего, относится к транспортным, гидротехническим сооружениям, памятникам архитектуры. Усиление рядовых конструкций с применением технологии внешнего армирования должно быть обосновано экономически.Исторически, применение технологии внешнего армирования в нашей стране связано именно с железобетонными конструкциями мостов. Впервые в России были усилены элементами из углеволокна и практически одновременно эстакада, входящая в состав третьего транспортного кольца Москвы (фирмой «Триада-Холдинг») и железнодорожный мост в г.Домодедово Московской области (фирмой «Практик»).Для усиления железобетонных конструкций применяются элементы в виде лент и холстов. Механические характеристики элементов внешнего армирования варьируются в следующих пределах: Е= 70000 — 640000 МПа, R= 1700 — 4800 МПа.При усилении железобетонных конструкций с применением лент необходимо решить проблему анкеровки ленты на конструкции, что приводит к необходимости устройства закладных деталей — стальных или из углехолста.Усиление пролетной зоны изгибаемых конструкций.Наиболее распространенное решение при усилении железобетонных конструкций с применением углеволокна — расположение элемента внешнего армирования со стороны наиболее растянутого волокна в пролетной зоне изгибаемых конструкций, хотя имеется успешный опыт усиления сжатой зоны. В зоне действия пролетных моментов могут устанавливаться как ленты, так и холсты. В последнее время имеет место тенденция более широкого распространения холстов. Это связано с их более высокими механическими характеристиками, простотой монтажа и обеспечения надежной анкеровки.Усиление приопорных участков изгибаемых конструкций.Важной областью применения элементов внешнего армирования является усиление приопорных участков в зоне действия поперечных сил. В этих зонах, как правило, устанавливают холсты из углехолста вдоль линии главных растягивающих напряжений. Углехолсты можно наклеивать в несколько слоев и формировать любые сечения, необходимые по расчету.Усиление сжатых и внецентренно-сжатых железобетонных элементов.Применение элементов внешнего армирования для усиления сжатых, внецентренно-сжатых железобетонных элементов типа колонн, пилонов, простенков производится двумя способами. Во-первых, для усиления «коротких» элементов (с соотношением высоты к габариту поперечного сечения не более 10) эффективно устройство бандажей из углехолста, создающих «эффект обоймы» по типу косвенного армирования. Во-вторых, установка углехолста вдоль сжатого элемента является дополнительной рабочей арматурой.При усилении колонн рассмотрим два основных случая: усиление коротких стоек со случайными эксцентриситетами и усиление гибких колонн.Усиление коротких колонн с отношением h/aДля устройства поперечных бандажей при усилении железобетонных колонн используются элементы внешнего армирования из углеродного волокна.Шаг поперечных бандажей СВ рамных узлах сопряжения колонн и плит перекрытий, рекомендуется устанавливать крайние бандажи по обрезу колонн. При усилении сейсмостойких конструкций рекомендуется для крайних бандажей использовать трех или четырехнаправленный холст.Усиление гибких колонн производится как продольными, так и поперечными элементами внешнего армирования. Продольные элементы устанавливаются с таким расчетом, чтобы не изменилось располжение физической оси сечения.Сечение продольных элементов может быть определено методами, изложенными в Нормах. Поперечные бандажи устанавливаются как для коротких стоек. Применение предварительно напряженных элементов из углеволокна.Перспективной областью применения элементов внешнего армирования из углеволокна является предварительно напряженные элементы. Впервые предварительно-напряженные углеродных ленты были применены при усилении автомобильного железобетонного моста на юге Германии в 1982г (Совместный проект концерна «ЗИКА» проектного бюро «Леонгард, Андрэ и парт.» и фирмы «Леоба»). В России впервые предварительно-напряженные углепластиковые ленты были применены фирмой «Практик» при усилении балок пролетного строения автодорожного моста через реку Киржач на 104 км трассы Москва-Нижний Новгород в 2003г. В 2006г. фирмой «Практик» было проведено первое усиление предварительно напряженными холстами «Зика Карбоврап».Предварительное напряжение элементов внешнего армирования значительно повышает его эффективность и расширяет сферы его применения. Натяжение производится гидродомкратами с использованием специальных захватов и анкерных устройств. При натяжении элементов внешнего армирования из углеволокна с его последующим закреплением на конструкции достигается не только повышение несущей способности, но также достигается повышение жесткости и трещиностойкости усиливаемого элемента.Усиление деревянных конструкций.При усилении деревянных конструкций применяется углеволокно с модулем упругости не менее 300000 МПа.Установка элементов внешнего армирования производится двумя основными способами:— путем приклейки к поверхности;— путем вклейки на монтажный клей в предварительно подготовленные пропилы. Второй способ применяется в случае, если необходимо сохранить первоначальный вид балок и сделать незаметным само усиление. Пропилы предпочтительно делать вертикальными для минимального нарушения целостности сечения.Наиболее широко используют элементы внешнего армирования из углеволокна при усилении деревянных балок, как сплошных, так и клееных в зоне действия пролетных моментов.Элементы усиления в виде углехолстов устанавливают на участки, где действуют главные растягивающие напряжения и имеется опасность раскалывания вдоль волокон. Эффективно повышение жесткости гибких фанерных стенок путем приклейки углехолста в зоне действия поперечной силы.К основным преимуществам элементов внешнего армирования из углеволокна относят простоту и скорость их монтажа и незаметность на конструкции.Усиление каменных конструкций.Основная сфера применения элементов внешнего армирования из углеволокна при усилении каменных конструкций — внецентенно-сжатые элементы, т.е. столбы, пилоны и простенки. При усилении этих элементов специалисты сталкиваются с проблемой включения в работу стальных обойм, монтируемых на конструкцию, в соответствии с традиционной концепцией усиления. Для обеспечения совместной работы стальной обоймы и усиливаемого столба, как правило, пытаются создать в обойме начальные усилия путем нагрева хомутов и применения расширяющихся растворов. Технически это осуществимо, но достаточно трудоемко и нетехнологично.Обоймы из углеволокна (углехолста) являются эффективной альтернативой стальным обоймам, поскольку их включение в работу усиливаемого элемента обеспечивается просто во время монтажа холста на усиливаемый элемент через клеевой слой.Натурные испытания кирпичных столбов, проведенные в лаборатории каменных конструкций ЦНИИСК в 2004г по инициативе и под руководством руководителя сектора к.т.н. Грановского А.В., показали 1,5-2,0 кратное увеличение несущей способности кирпичных столбов, усиленных бандажами из углехолста.Применение элементов внешнего армирования из углеволокна позволяет в широких пределах регулировать усилия в каменной конструкции, минимально нарушая её целостность. Это в полной мере касается конструкций реконструируемых и реставрируемых зданий.Отдельный вопрос — это усиление каменных стен, поврежденных в результате просадок фундаментов или имеющих отверстия в виде технологических, дверных, оконных проемов.Традиционным решением при усилении подобных элементов является установка стальных скоб, стальных профилей через анкерное крепление на стене в отдельных точках с последующей зачеканкой расширяющимися растворами. Применение элементов внешнего армирования из углеволокна для усиления перечисленных конструкций позволяет избежать установки точечных анкеров, вовлечь больший объем материала в работу отдельного элемента, реализовать имеющиеся резервы конструкции, при этом бережно отнестись к неповрежденным участкам.Усиление металлических конструкций.Усиление растянутых конструкций.Усиление растянутых стальных конструкций элементами внешнего армирования из углеволокна целесообразно производить симметрично относительно центра тяжести сечения. При этом применяется углеволокно с модулем упругости равным или минимально отличающимся от модуля упругости материала усиливаемого стального элемента и максимально высокой прочности (например, Е=20000-230000 МПа, R=480000 МПа).Основываясь на современной линейке материалов из углеволокна, возможен достаточно точный подбор материала для получения наибольшей эффективности усиления.Установка элементов внешнего армирования происходит в следующем порядке: — очистка поверхности от загрязнений (возможна пескоструйная обработка);— нанесение адгезионного слоя — монтажного эпоксидного клея;— монтаж элементов внешнего армирования (холста или ленты);— защитная или огнезащитная покраска;— установка дополнительных механических фиксирующих устройств. Усиление внецентренно сжатых конструкций.Усиление внецентренно сжатых стальных элементов производится путем установки элементов внешнего армирования из углеволокна симметрично относительно центра тяжести сечения. Возможно несимметричное расположение элементов внешнего армирования, например, при восстановления сечения при ремонте коррозионных повреждений.Для усиления внецентренно сжатых стальных элементов целесообразно применять элементы внешнего армирования из углеволокна с максимально высоким модулем упругости (до 640000 МПа).В 2006г. фирмой «Практик» применено усиление сжатых раскосов стропильных ферм пролетом 34м зрительного зала в Москве.Повышение устойчивости пластинок.Повышение устойчивости стальных пластинок, например высоких стенок балок из плоскости изгиба в зоне действия поперечной силы, производится путем наклейки элементов внешнего армирования (холстов) симметрично относительно центра тяжести сечения. Исследования возможности применения стальных конструкций с применением элементов внешнего армирования из углеволокна проводятся совместно с кафедрой испытаний сооружений и металлических конструкций под руководством доктора технических наук профессора Белого  Г. И.Углеволокно — высокопрочный, линейно упругий материал-основной для элементов внешнего армирования железобетонных конструкций. Углеволокно представлено в виде хостов(wraps)и лент (laminats). Поскольку элементы внешнего армирования из углеволокна закремпляются на конструкции при помощи монтажного клея(эпоксидного, эпоксиполиуретанового или полимерцементного) они эффективно реагируют на приращение деформаций конструкции, в них возникают большие приращения усилий. Прежде всего это свойство обусловило применение углеродного волокна для усиление железобетонных конструкций. Поскольку предельнное удлиннение углеволокна значительно больше, чем у бетона, в большинстве случаев рабочие усилия в углеволокне значительно меньще предельных и разрушение усиленного углеволокном образца как правило проискодит по контактному слою между элементом внешнего армирования и бетоном. Исключением является работа поперечных бандажей колонн из углеволокна.       Усиление стропильных ферм в г. Малоярославец совместно с фирмой «Стройполимер»       Усиление конструкций железнодорожного моста с разгрузкой в аэропорту Домодедово 1>10>