Усиление конструкций — это процесс их модернизации, позволяющий улучшить характеристики при существующих нагрузках либо увеличить прочность элементов для выдерживания дополнительного напряжения. Необходимость в усилении обусловлена строительными нормами, ухудшением состояния строения, изменением его использования или дефектами, вызванными ошибками проектирования или строительства.
Когда требуются способы усиления конструкций зданий и сооружений?
Структурное усиление здания требуется в следующих случаях:
- увеличение нагрузки, вибрационное воздействие;
- повреждение конструктивных элементов в результате старения стройматериалов, ущерба от аварий, коррозии стальной арматуры;
- необходимость повысить пригодность к использованию за счет ограничения прогибов, снижения напряжения в каркасе, уменьшения ширины трещин;
- изменение структурной системы вследствие демонтажа стен или колонн, прорезания проемов в плитах;
- ошибки при планировании или строительстве из-за недостаточных конструктивных размеров или недостатков арматурной стали;
- обнаружение трещин, пустот и растрескивания в бетоне.
Усиление строительных конструкций достигается благодаря замене некачественного или дефектного материала на более качественный, креплению дополнительного несущего каркаса или перераспределению нагрузок за счет вынужденной деформации конструктивной системы.
Методы усиления железобетонных конструкций
Железобетонные конструкции включают балки, колонны, плиты, стены и другие элементы, обеспечивающие прочность и устойчивость сооружений. Бетонные части деградируют из-за коррозии арматуры, трещин, сколов и других явлений, которые приводят к снижению несущей способности. Наиболее распространены способы усиления железобетонных конструкций армированием стальными пластинами, полимерным бетоном и композитными материалами.
Армирование стальными пластинами
Пластины крепятся к поверхностям растяжения или сжатия гибких элементов из железобетона — колонн или балок — с помощью эпоксидной смолы. Это эффективный метод усиления, однако он может повлиять на уязвимость к коррозионному повреждению, требует тщательного анализа конструктивной циркуляции, веса пластин, типа нагрузки и размещения, увеличивает габариты и вес деталей.
Армирование полимерным бетоном
Арматура из армированного волокном полимера — современная замена традиционного каркаса из стали. Эта система включает слои бетона, внутри которых находятся армированные полимеры. Арматура находится в напряжении после затвердевания цементного раствора, заставляя новый объем работать на сжатие. Ламинированные полимеры принимают на себя растяжение, а бетон — сжатие, и оба материала работают совместно, повышая несущую способность, улучшая структурные характеристики, смягчая проблемы растрескивания и коррозионного повреждения.
Композиты из полимеров, армированных волокном
Укрепление с помощью армированных композитов — инновационная технология усиления железобетонных компонентов. Композиты состоят из полимерной смолы и различных волокон, часто углеродных. Системы полимеров, армированных волокнами, характеризуются высоким отношением прочности к весу, низкой пластичностью, простотой установки, устойчивостью к химическому воздействию и коррозии, высокими усталостными характеристиками. Углеволокно не изменяет вес и размеры конструкции, долговечно и экономически эффективно.
Методы усиления каменных конструкций
Каменные объекты меняют форму, ломаются и покрываются трещинами в результате осадки фундамента, выпучивания оболочки, распорных сил арок, потери сцепления в кладке расшивки и недостаточной стойкости при измененных нагрузках. Вне зависимости от причины проблема обычно проявляется в декомпрессии кладки, находящейся под растягивающим давлением или чрезмерным сдвигом.
Выделяют следующие современные способы усиления конструкций из камня:
- Обустройство микросвайного фундамента. Микросваи передают структурные силы глубоким слоям грунта, повышая несущую способность и снижая риск осадки. Эта технология широко используется для усиления фундаментов каменных сооружений, поскольку буровое оборудование для микросвай небольшое и легкое, поэтому позволяет работать внутри существующего строения.
- Рулевая тяга. Предполагает превращение кладки в армированный фрагмент с зоной напряжения: сжатием камня в верхней части и натяжением арматуры в нижней, что улучшает ее механическое поведение. Внутренние арматурные стержни располагаются так, чтобы следовать линиям напряжения растяжения. Они фиксируются в пазах смолой или раствором, который передает нагрузки между камнем и арматурным стержнем по всей его длине.
- Крепление ткани из углеродного волокна. Усиление конструкций углеволокном — технология, оптимальная для участков с деформированными поверхностями, подвергающихся растягивающим или изгибающим воздействиям. Анкеровка оплетки из углеродного волокна задействуется для дополнительной герметизации части армирования из композита в кладке.
- Усиление компрессионным фланцем. Используется для увеличения площади напряжения балок и повышения жесткости. Компрессионный фланец, усиленный смоляным бетоном, прикрепляется к усиливаемому элементу стержнями из стекловолокна. Это повышает устойчивость каменных секций, улучшает распределение давления на исходную постройку и повышает момент инерции. Методика идеально подходит для потолков памятников архитектуры.
- Предварительно напряженные стяжки. Применяются для сжатия кирпичей. В силу умеренности вводимых нагрузок обычно достаточно одного внутреннего или внешнего арматурного стержня — предварительно напряженной стяжки с очень низкой релаксацией, которая на заводе покрывается оболочкой для обеспечения эффективной коррозиестойкости. Стяжки противостоят любым попыткам смещения кладки.
- Сухое торкретирование. Обеспечивает хорошую адгезию к основанию, используется для усиления бетонной части под начальной аркой, обычно до толщины от 8 до 20 см. С помощью торкретирования достигаются высокие прочностные показатели, адгезионный монолитизм, увеличение момента инерции и усиление сооружения в эксплуатации.
Методы усиления металлических конструкций
Деталям из металла требуется усиление при повреждении каркаса, заметной коррозии, необычных прогибах, трещинах в поддерживаемых плитах, признаках осадки фундамента, установке нового оборудования на крыше, складных перегородок, такелажа или других подвешенных грузов, добавленных без структурного инженерного анализа. Усилить металлоконструкции можно сваркой, заменой крепежей, добавлением уголков, пластин, ребер жесткости стенки или стальных накладок. При отсутствии проблем с подгонкой можно добавить балки, колонны, диагональные распорки, стены с проемами, металлический каркас с распорками, бетонные, каменные или стальные листовые стены.
Для усиления металлоконструкций может применяться внешнее предварительное напряжение балок и соединений с учетом эксцентриситетов кронштейнов относительно несущей способности компонента — некоторым нужна защита от коррозии, пожара и вандализма. Также повысить устойчивость помогает замена отдельных фрагментов конструкций.
Как выбрать методы усиления конструкции?
Выбор техники усиления зависит от следующих факторов:
- величина увеличения прочности;
- влияние изменений относительной жесткости элемента;
- размер проекта: подходы, включающие специальные материалы, часто менее рентабельными для небольших проектов;
- условия окружающей среды: техники с использованием клея непригодны для применения в условиях высоких температур, наружной стали — в коррозионных средах;
- прочностные показатели бетона на месте и целостность основания: эффективность подходов, основанных на сцеплении с существующим бетонным каркасом, существенно ограничена его низкой прочностью;
- ограничения по размерам: расширение секции ограничено степенью, в которой оно затрагивает окружающее свободное пространство.
- доступность;
- эксплуатационные ограничения: подходы, требующие более длительного времени строительства, менее желательны в случаях, когда необходимо приостановление производства;
- наличие материалов, оборудования и квалифицированных подрядчиков;
- стоимость строительства, обслуживания и жизненного цикла;
- нагрузочное тестирование для проверки существующих мощностей или оценки новых технологий.
Не существует стандартных решений для всех типов структур: методики усиления имеют преимущества и недостатки, и их влияние на прочность, жесткость, пластичность и сейсмические требования значительно варьируются в зависимости от конкретной конфигурации здания. При проектировании мероприятий по усилению важно учитывать, что не все техники могут снизить уязвимость строения. Ошибочная реализация может усилить некоторые части здания, одновременно ослабив другие, фактически повысив общий риск. Например, концентрация больших стен сдвига на одной стороне сооружения может увеличить, а не уменьшить нагрузку на вертикальные элементы другой стороны. Для гармоничного усиления проектировщику необходимо рассмотреть и взвесить преимущества и недостатки каждого подхода, используя инженерный анализ, предварительные исследования и расчеты, и выбрать наиболее подходящий.