Усиление металлических конструкций композитными материалами

Обновлено: 04.10.2024

Наиболее близким по области и условиям применения к усилению композиционными материалами является широко и успешно применяемое уже более 50-ти лет усиление железобетонных конструкций стальными пластинами, подробно изложенные в «Руководстве по усилению железобетонных мостов методом наклейки поверхностной арматуры». Министерство автомобильных дрог РСФСР Москва 1987 год.
В свою очередь, важнейшей задачей в строительстве является снижение энергоемкости, трудоемкости, материалоемкости изготовления изделий и конструкций, повышение их качества, надежности. Благодаря совершенствованию и развитию технологии получения углеродных волокон из ПАН-прекурсора, стало доступно применение в практике усиления строительных конструкций использование композиционных материалов. Объективным достоинством полимерных композитных материалов, является возможность придавать с их помощью строительным конструкциям характеристики, наиболее полно отвечающими условиям работы конструкций зданий и сооружений. Отдельным направлением в применении композитных материалов в строительном блоке являются – системы внешнего армирования на основе полимерных композитов для усиления железобетонных конструкций.

Система внешнего армирования из полимерных композитов CarbonWrap® на основе углеродных волокон (углеволокно) предназначена для ремонта и усиления несущих конструкций зданий с целью устранения последствий разрушения бетона и коррозии арматуры в результате длительного воздействия природных факторов и агрессивных сред в процессе эксплуатации сооружений.

Основными причинами усиления несущий конструкций являются:

увеличение полезной нагрузки после реконструкции здания;
модернизация оборудования в здании, изменение технологических процессов;
эксплуатационный износ несущих конструкций;
дефекты конструкций при изготовлении и монтаже или возникшие в результате эксплуатации конструкций;
нарушение прочностных характеристик в результате чрезвычайных ситуаций;
ошибки в проектировании.

Основные часто используемые способы усиления конструкций:

Основными областями усиления железобетонных элементов композиционными материалами по условиям работы конструкции являются:

увеличение несущей способности изгибаемой железобетонной балки или плиты путём приклеивания композиционного материала в растянутой зоне сечения;
увеличение несущей способности сечения балок на действие поперечной силы установкой композитных систем на приопорных участках конструкции, где существует риск возникновения и развития наклонных трещин;
увеличение несущей способности внецентренно сжатых колонн приклеиванием композитных систем внешнего армирования по периметру конструкции.

В зависимости от вида напряженного состояния исходного элемента, усиливающий элемент следует располагать:

в изгибаемых элементах, если нет опасности потери устойчивости, то с максимальным удалением от нейтральной оси исходного сечения для повышения момента сопротивления в плоскости изгиба;
в центрально-сжатых элементах – не нарушая положения центра тяжести, стремясь к увеличению радиуса инерции в обеих плоскостях;
во внецентренно-сжатых элементах – повышая радиус инерции в обеих плоскостях одновременно, добиваясь совмещения нейтральной оси с точкой приложения продольного усилия.

Подобный выбор оправдан тем, что:

материал с высокой прочностью будет надёжнее работать в зоне трещин железобетонных конструкций;
раскрытие старых трещин после усиления происходит при большем усилии, чем при испытании до усиления;
жёсткость усиленных конструкций с трещинами близка к первоначальной жёсткости;
шаг трещин в усиленной балке меньше, трещины появляются чаще, но с меньшим раскрытием.

Практика применения композитных материалов при ремонтных работах показала, что разработанные технологии внешнего армирования композитными материалами позволяют найти решения следующих инженерных задач:

устранить ошибки проектирования или исполнения работ;
увеличить несущую способность конструкций при увеличении расчетных нагрузок,
устранить последствия повреждения несущих конструкций, возникших при эксплуатации;
ограничить прогибы и величину раскрытия трещин в балках;
изменение статической схемы пролётных строений;
дополнительное противосейсмическое усиление.
пропуск сверхнормативных грузов по мостам и путепроводам.

повышение уровня взрывоустойчивости конструкций зданий.

В транспортных сооружениях при ремонте и реконструкции мостов и путепроводов нашли применение следующие технологии:

усиление углепластиковыми ламелями CarbonWrap® Lamel HSбалок пролетных строений с целью увеличения рабочего сечения существующей арматуры или уменьшения раскрытия трещин;
усиление комбинированным способом – с использованием ламелей CarbonWrap® Lamel HS, холстов CarbonWrap® Tapeи сеток CarbonWrap® Grid ;
усиление холстами CarbonWrap® Tape защитного бетонного слоя в целях предупреждения трещинообразования из-за малой его толщины;
использование холстов CarbonWrap® Tape для усиления стоек железобетонных опор.
наращивании стенок трубопровода с внешней стороны композитными материалами CarbonWrap® Fabric, опоясывая трубопровод и образуя сплошной высокопрочный бандаж.

Актуальным вопросом при реконструкции и реставрации существующих каменных зданий в городе Санкт-Петербурге – является обеспечение их конструктивной надежности, долговечности и сохранении эстетичности. В отличие от железобетонных конструкций, в которых трещинообразованию препятствует арматура, каменная кладка весьма чувствительна к действию растягивающих и сдвиговых напряжений. Как результат, наиболее распространенным видом повреждений построек из камня является их растрескивание. Этот процесс может быть причиной аварийного состояния сооружения целиком или его отдельной части. Особенно ощутимы последствия таких деструкций в зданиях исторической застройки с богатым рельефом фасадов и ценной внутренней отделкой стен, содержащей фрески, и элементы интерьерного убранства.

В последнее время вследствие повсеместного строительства новых объектов вблизи старых каменных зданий и сооружений образование трещин в их кладке происходит ускоренными темпами. В подобных случаях наиболее опасным для архитектурного памятника становится близкое соседство с местами проведения работ нулевого цикла, вызывающих неизбежное изменение напряженно-деформационного состояния оснований фундаментов.

Известны факты, когда в процессе устройства котлованов в непосредственной близости от существующих объектов последние не только растрескивались, но и обрушались. Среди традиционных способов усиления каменных конструкций наибольшее распространение получили стальные и железобетонные обоймы, металлические пояса и накладки, перекладка кладки и др. Большинство из них трудоемки в реализации, дорогостоящи, а по отношению к историческим зданиям некоторые и вовсе не применимы по эстетическим соображениям.

В основе усиления каменных элементов композиционными материалами лежит концепция рационального армирования конструкции в зависимости от вида ее напряженного состояния либо морфологии трещин. Согласно концепции, армирующие элементы (волокна углеродных сеток и лент) должны размещаться так, чтобы их направления были перпендикулярны трещинам либо при отсутствии последних совпадали с траекторией главных растягивающих напряжений, которые устанавливаются расчетным путем.

На объектах реконструкции и реставрации существующих каменных зданий применяются технология :

усиления системой внешнего армирования на основе углеродных сеток CarbonWrap® Grid и цементном вяжущем сводчатых систем перекрытий, арок, сводов и перемычек;

Несмотря на сравнительно высокую стоимость композитов, использование их для усиления строительных конструкций во многих случаях оказывается экономически целесообразным, так как строительно-монтажные работы можно выполнять без остановки, вывода сооружения из эксплуатации, при этом значительно сокращая трудоемкость технологических процессов.

Учитывая, что жизненный цикл объектов инфраструктуры включает в себя:

первоначальные затраты;
эксплуатационные расходы;
расходы по окончании эксплуатации;

становиться очевидным, что применение композитных материалов полностью окупается на эксплуатационном периоде.

В заключение можно отметить, что отечественные материалы системы внешнего армирования CarbonWrap®, по результатам сравнительных поверочных расчетов несущих железобетонных конструкций и оценки экономической эффективности показали лучшие результаты, чем импортные аналоги. Материалы системы CarbonWrap® имеют оптимальные коэффициенты экономической эффективности и минимальные коэффициенты условной полезности - КD, которые показывает соотношение цены (руб.) материалов системы усиления к процентному (%) усилению конструкции, позволяющий экономически обосновать выбор способа усиления и прогнозировать стоимость усиления конструкции.

Таким образом, чем ниже коэффициент условной полезности - КD, тем более экономически эффективна подобрана система усиления внешнего армирования.

Таблица 1. Сводный Коэффициент условной полезности (KD) системы внешнего армирования на основе углепластиковых ламелей.

Усиление металлических конструкций композитными материалами

Сегодня в современной строительной индустрии наблюдается постоянный рост применения металлоконструкций при возведении зданий различного назначения. Такие конструкции используются повсеместно: в качестве каркасов быстровозводимых сооружений, пролетных конструкций транспортных мостов, конструктивных элементов покрытий и перекрытий. Разнообразные эксплуатационные факторы — силовые и температурные воздействия, действия агрессивной окружающей среды, снижают несущую способность и сокращают жизненный цикл любой металлической конструкции. Помимо этого к причинам усиления конструкций из металла можно отнести:

– их повреждения от механических воздействий;

– прогибы, вмятины, искривления, истирания и др.;

– ошибки проектирования, монтажа и эксплуатации металлоконструкций;

– реконструкция, расширение, техническое перевооружение, вызывающие увеличение нагрузок на конструкции в действующих предприятиях.

К наиболее распространенным традиционным способам усиления металлоконструкций относятся: увеличение и наращивание сечений элементов, устройство дополнительных связей, ребер, диафрагм, распорок, усиление соединений элементов, установка дополнительных элементов в существующие конструкции. Принципиально новым способом усиления металлических конструкций является способ, основанный на использовании армированных фибрами полимерных материалов. Усиление композитами металлических конструкций, в отличие от железобетонных, получило наименьшее распространение. Внешнее армирование из фиброармированных пластиков в основном используется для усиления колонн, балок, стропильных и подстропильных ферм (элементов чаще всего нуждающихся в усилении) и других конструкций. Однако при проектировании усиления конструкций из металла с использованием этого материала необходимо учитывать остаточную несущую способность и жесткость элементов, подвергаемых усилению. Такое проектирование включает следующие этапы:

Для обеспечения требуемой прочности и долговечности усиливаемых конструкций необходимо учитывать модуль упругости материала вышеуказанных композитов, предел его прочности при растяжении, их формы и конфигурации.

Предварительная подготовка поверхности усиляемого элемента.

Процессы обработки поверхности оказывают большое влияние на надежность соединения фиброармированных пластиков с конструкцией, что в свою очередь существенно влияет на характеристики усиливаемой конструкции.

Профилактикой появления гальванической коррозии является изолирование различных металлов друг от друга, нанесение между ними стойкого герметика или использование клея с хорошими изоляционными свойствами.

При усилении производственного здания необходимо учитывать время отверждения клея, толщину слоя покрытия клеем и напряжение сдвига, вызванное циклической нагрузкой. Все эти факторы влияют на окончательную жесткость и прочность конструкции.

Контролировать качество металлоконструкций позволяют частично разрушающие или неразрушающие испытания. В ходе контроля оценивают прочность композитных материалов против расслаивания. Для последующего проведения полу-разрушающих испытаний предварительно подготавливают специальные испытательные зоны (свидетели), усиленные фиброармированными пластиками, которые имеют аналогичную систему усиления и подвержены аналогичным воздействиям окружающей среды, что и фактически работающие системы усиления.

Применение композитов в качестве материалов усиления металлоконструкций имеет множество преимуществ:

– Высокая прочность (выше прочности стали)

– Высокая стойкость к коррозии

– Небольшие вес и толщина конструкций усиления

– Возможность усиления конструкций во время производственного процесса

– Возможность применения на труднодоступных криволинейных поверхностях

– Высокая работоспособность при широком спектре температур и напряжений

Несомненно, следует отметить и недостатки использования фиброармированного пластика:

– Необходимость устранения гальванической коррозии

– Трудоемкий подбор материала

– Соблюдение точной технологии

Также необходимо учесть: относительно небольшой опыт применения в России, ограниченная нормативная документация для проектирования и расчетов.

Усиление композиционными материалами, как метод восстановления и увеличения несущей способности конструкций, успешно используется по всему миру в течение более двух десятилетий и является неоспоримым инновационным достижением в области строительных технологий. Однако отсутствие теоретических и экспериментальных исследований и, как следствие, нормативной базы является основной причиной относительно небольшого российского опыта применения композитов для усиления металлических конструкций. Тем не менее композиты нашли широкое применение в нашей стране в качестве материалов усиления железобетонных конструкций, что дает надежду что данный метод усиления обретет признание и повсеместное использование в реконструкции и металлических сооружений.

Обзор композитных материалов для усиления железобетонных конструкций

В статье авторы рассматривают основные композитные материалы, используемые для усиления железобетонных конструкций

Ключевые слова: композит, усиление, железобетонные конструкции

Введение

За последнее десятилетие в связи с износом зданий и сооружений возросла потребность в усилении конструкций, в частности железобетонных, как одного из самых распространенных типов строительных конструкций. Такая потребность существовала издревле, поэтому к настоящему времени предложено большое количество способ. Помимо восстановления первоначальной несущей способности железобетонных элементов во время ремонта, реконструкции или по условиям эксплуатации зачастую возникает необходимость в увеличении их несущей способности. «Чаще всего увеличение нагрузки связано с дополнительной надстройкой уже существующих зданий и сооружений, изменением условий их эксплуатации, размеров и конструктивной схемы, установкой нового технологического оборудования или повышением пропускной способности мостовых конструкций». [1, с.4] Их можно разделить на две группы: изменение площади поперечного сечения и изменение конструктивной схемы. Первый способ довольно ограничен и используется редко.

Хорошей альтернативой классическому усилению железобетонных конструкций сталью является усиление композитными материалами. Эти материалы относительно новы и недавно вышли на широкий рынок.

В связи с этим рассмотрим основные материалы, используемые при усилении железобетонных конструкций. На микроуровне композиционные материалы состоят из двух или более компонентов. Непрерывная фаза называется матрицей, а второй компонент — наполнителем, или армирующей фазой, которая служит для изменения в нужном направлении свойств матрицы.

Композиционные материалы могут иметь керамическую, металлическую или полимерную матрицу. Наполнитель в виде волокон обычно изготавливают из прочных и жестких материалов (углерод, стекло, арамид, полиэтилен, сталь, бор и др.). Наполнитель в одном из измерений, как правило, имеет небольшой размер — менее 500 мкм. Форма и размеры наполнителя являются одними из основных параметров, определяющих поведение композиционного материала под нагрузкой.

Если непрерывные волокна уложены в одном направлении, материал называют однонаправленным. Многослойные материалы (ламинаты) состоят из нескольких однонаправленных слоев или тканей, уложенных в различных направлениях и имеющих определённую последовательность укладки слоев.

Прочность композиционного материалы во многом определяется диаметром волокна, согласно [2, с.31] зависимость можно представить так (рис.1):

Рис. 1. Зависимость прочности при растяжении от диаметра стеклянных волокон

Материалы волокна вКМ

Подробнее рассмотрим те материалы, которые непосредственно используются при усилении железобетонных конструкций (рис.2): углепластик (CFRP), стеклопластик (GFRP), материалы на основе арамидных волокон (AFRP).

$C:\Users\User\AppData\Local\Microsoft\Windows\INetCache\Content.Word\Untitled-1.png$

Рис. 2. Типы волокон

Стеклянные волокна — самые дешевые, это объясняет большие объемы их производства. Стекло основано на диоксиде кремния SiO₂, который является одним из самых распространенных элементов земной коры. Различают несколько типов стекловолокна, используемого в композиционных атериалах: E-стекло и S-стекло. S-волокна примерно на 35 % прочнее Е-волокон и более термостойки согласно [3, c.52].

Углеродные волокна

Структура углеродного волокна состоит из тонких и изогнутых кристаллов графита. Структура атомной решетки атомной решетки представляет собой наложенные друг на друга пластины графита.

Углеродные волокна получают высокотемпературной обработкой полиакрилонитрильных (ПАН), пековых или вискозных волокон.

Арамидные волокна

Арамидные волокна получают методом гель-формования. Плотность арамидных волокон примерно в 1.7 и в 1.25 раз меньше плотности стеклянных и углеродных соответственно. Эти волокна обладают высокой ударной прочностью. Волокна гидрофильны, термостойки и стойки к большинству растворителей и оснований.

В различных источниках данные по прочности и модулю упругости волокон различаются, что связано с множеством технологий производства и марок производимых волокон. В таблице 1 приведены одни из таких характеристик.

Прочность имодуль упругости различных волокон

Сравнительный анализ композитной и металлической арматуры

В данной статье рассматриваются свойства композитной арматуры, её достоинства и недостатки. Проведено сравнение с металлической и показано, что полимерное армирование имеет ряд преимуществ над традиционным, такие как прочность, легкий удельный вес и экономичность применения данного материала.

Ключевые слова: композитная арматура, металлическая арматура, стержень, строительный материал, стеклопластик.

Металлическая арматура с недавнего времени считалась единственным материалом в строительстве, с помощью которой выполнялось всё армирование. Но на сегодняшний день существуют различные аналоги, превосходящие металлическиe прутья по ряду характеристик. Одним из таких является композитная полимерная арматура, являющаяся современным строительным материалом.

Композитная арматура (англ. fibre-reinforced plastic rebar, FRP rebar) — неметаллические стержни из стеклянных, базальтовых, углеродных или арамидных волокон, пропитанных термореактивным или термопластичным полимерным связующим и отверждённых (рис.1). [2]

Рис. 1. Композитная арматура

Для изготовления используют непрерывные армирующие наполнители из стекловолокна, базальтоволокна, углеволокна и арамидного волокна. [1] Волокна объединяются между собой, образуя единый стержень, на который наматываются рёбра. Затем арматура проходит через печь, подвергаясь воздействию высокой температуры, после её ожидает водяное охлаждение, и в самом конце следует протяжка изделия и резка нужной заказчику длины. Все стадии изготовления показаны на рис. 2.

Рис. 2. Процесс изготовления композитной арматуры: 1 — стеклопластиковый ровинг; 2 — пропитка смолой; 3 — формирование стержня; 4 — термообработка; 5 — водяное охлаждение; 6 — протяжка и автоматическая резка; 7 — автоматический бухтонамотчик

На сегодняшний день расширяется область применения композитной арматуры в строительстве, вместо традиционных металлических каркасов используется композитный полимерный каркас. Наиболее часто стеклопластик применяют при армировании отмостки вокруг зданий или чаши для бассейна, так как композитная арматура имеет высокие антикоррозионные свойства. Также возможно применение (с замещением металлической на стеклопластиковую согласно таблице равнопрочной замены) при армировании ленточных фундаментов, фундаментных плит при малоэтажном строительстве. И для повышения долговечности зданий и сооружений необходимо отдавать предпочтение высококачественной арматуре.

Конечно, металлическое армирование активно используется во многих строительных конструкциях, и композит не сможет вытеснить своего «предшественника» с рынка. Но использование пластиковой арматуры можно назвать, с большой точностью, перспективным и активно развивающимся направлением в сфере строительства.

Для начала рассмотрим ряд преимуществ композитной арматуры, которые позволили ей стать популярным строительным материалом:

– коэффициент расширения близкий с бетоном.

К недостаткам можно отнести:

– низкий модуль упругости;

Сравнение между традиционной металлической и композитной стеклопластиковой арматурами представлено в табл.1.

Стандарты

- СП 164.1325800.2014 "Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования".
Свод Правил СП 164.1325800.2014 - документ по стандартизации правил и характеристик, утверждённый федеральным органом исполнительной власти России, разработан с учетом обязательных требований, установленных в Федеральных законах от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ "О техническом регулировании" от 30 декабря 2009 г. N 384-ФЗ "Технический регламент о безопасности зданий и сооружений", содержит требования к расчету и проектированию усиления или восстановления композитными материалами бетонных и железобетонных конструкций зданий и сооружений различного назначения.

Распространяется на проектирование усиления или восстановления железобетонных конструкций зданий и сооружений различного назначения путем устройства системы внешнего армирования композитными материалами из термореактивных адгезивов, армированных углеродными или стеклянными волокнами.

Совместная работа усиливаемой конструкции и композитного материала является следствием последовательно выполняемых регламентированных указаний по монтажу системы внешнего армирования в соответствии с СТО 38276489.001-2017 и типовой технологической карты ТТК НЦК.4399.00001, а характеристика эпоксидного состава обеспечивает включение в совместную работу волокон композитных материалов с усиливаемой конструкцией на восприятие нагрузок. Все композитные материалы запроектированной системы внешнего армирования имеют сертификаты соответствия.

- СП 164.1325800.2014

- Методическое пособие к СП 164.1325800.2014

- СТО 38276489.001-2017 "Усиление железобетонных конструкций композитными материалами, проектирование и технология производства работ"
Настоящий стандарт организации распространяется на проектирование и выполнение работ по усилению или ремонту железобетонных конструкций зданий и сооружений различного функционального назначения путем устройства системы внешнего армирования композитными материалами из термореактивных адгезивов, армированных углеродными волокнами.

- СТО 38276489.001-2017

- СТО 38276489.002-2017 "Усиление каменных и армокаменных конструкций композитными материалами, проектирование и технология производства работ"
Настоящий стандарт содержит требования к проектированию и технологии производства работ при восстановлении и усилении каменных и армокаменных конструкций системой внешнего армирования на основе полимерных композитов с армирующим наполнителем из углеродных волокон в зданиях и сооружениях различного назначения.

- СТО 38276489.002-2017

- СТО 38276489.003-2017 "Усиление стальных конструкций композитными материалами. Проектирование и технология производства работ".
Настоящий стандарт устанавливает требования к расчету стальных конструкций, усиленных или восстановленных системами внешнего армирования на основе полимерных композитных материалов и проектированию указанных систем для усиления или восстановления металлических конструкций.

Читайте также: