Усиление железобетонных конструкций: понятие, определение, расчет, технические характеристики, классификация и соблюдение требований ГОСТа

В строительстве и на крупных производствах железобетонные конструкции зачастую играют ключевую роль, выполняя функции каркасов, перекрытий и функциональных платформ различных зданий. На них приходятся многотонные нагрузки, действующие как в статическом, так и в динамическом режимах. С течением времени напряжение не может не сказываться на состоянии сооружения. Как результат, требуется усиление железобетонных конструкций тем или иным способом. Конкретная методика проведения подобных операций зависит от условий эксплуатации объекта, технико-физических параметров и планировочных требований.

Что представляет собой усиление ЖБ-конструкций?

Для начала следует определиться с тем, что такое в принципе железобетонная конструкция. В капитальном строительстве это часть сооружения, принимающая на себя повышенные эксплуатационные нагрузки. Основу конструкции формирует бетонная структура, а в качестве ее базового усиления используются арматурные прутья. При этом усиление и восстановление железобетонных конструкций может производиться комплексно и частично. Если диагностикой была выявлена дефектная зона на поверхности, то ремонт будет касаться в первую очередь этой части, хотя предварительно должны быть исследованы причины разрушения, которые могут обосновать и целесообразность реконструкции уже других участков конструкции.

Что же подразумевается под усилением как таковым? Это техническая операция в строительстве, благодаря которой продлевается эксплуатационный срок зданий и отдельных конструкций в частности. Существуют разные методы ремонта и усиления железобетонных конструкций. Все они в разной степени предполагают решение следующих задач:

• Наращивание прочности узлов и несущих компонентов конструкции за счет включения новых элементов. В качестве последних могут выступать балки, перемычки, консольные детали, ребра жесткости и т.д.
• Разгрузка или перераспределение массы, которая воздействует на железобетонную основу. В данном случае затрагивается устройство конструкций, которые механически воздействуют на целевую область укрепления. Разгрузка позволяет снизить требования к усилению ЖБ-конструкции.
• Повышение базовых прочностных характеристик объекта и его элементов путем замены.

Когда необходимо выполнять усиление ЖБ-конструкций?

Еще на этапе возведения несущего каркаса в соответствии с будущими нагрузками подбираются технические решения и стройматериалы с расчетом на долгосрочную эксплуатацию. Со временем в силу разных факторов техническое состояние сооружения ухудшается и возникает потребность в поддержке его ответственных элементов. Полноценное усиление железобетонных конструкций следует выполнять в следующих случаях:

• Потеря расчетной прочности из-за старения и усталости материалов. Особенно это касается бетонной структуры, которая подвергается химическим негативным воздействиям и естественным механическим нагрузкам.
• Перепланировка здания, в результате которой меняется конфигурация несущих стен, балок, колонн, ферм и консолей. Может потребоваться наращивание прочности или разгрузка массы на опорных точках конструкции.
• Изменение этажности. Также происходит перераспределение веса по колоннам, перекрытиям и стенам, что требует пересмотра и несущей способности элементов сооружения.
• Грунтовые подвижки, которые или уже деформировали, или изменили конфигурацию воздействия на фундамент, а следовательно, и на несущие узлы каркаса. Также требуется восстановление силового баланса между конструкциями.
• Разрушение или частичное повреждение несущих частей или отдельных элементов из-за аварий, стихийных бедствий, землетрясений, техногенных катастроф.
• При обнаружении ошибок, допущенных на этапе проектирования или выявленных уже в процессе эксплуатации здания.

В данном случае рассмотрены основные и наиболее распространенные причины, которые влекут необходимость усиления железобетонных конструкций тем или иным способом. Конкретный характер износа или повреждения должен определяться в процессе комплексного обследования, на основе которого разрабатывается проект укрепления конструкции и подбирается оптимальный способ его осуществления.

Диагностика и дефектовка конструкции

Техническое обследование проводится в соответствии с графиком или внепланово при явных признаках разрушения здания. Эту часть мероприятий регулируют нормативы неразрушающего контроля по ГОСТ 22690 и 17624. Оценка по результатам обследования выносится в соответствии со сводом правил (СП) об усилении железобетонных конструкций под номером 63.13330.

Диагностические процедуры начинаются с визуального осмотра, в процессе которого выявляются наружные повреждения – дефекты, сколы, трещины и т.д. Для обнаружения скрытых повреждений используют методы неразрушающего контроля. Подобные задачи решаются посредством специального оборудования, например с помощью электромагнитных или ультразвуковых аппаратов дефектоскопов. В частности, именно для дефектовки железобетона чаще применяют ультразвуковые приборы, работающие георадиолокационным и эхо-импульсным методом. В процессе обследования могут выявляться пустоты, наличие в структуре агрессивных компонентов, разрушение армирующих стержней, следы коррозии и т.д.

На основе полученных данных вырабатывается дальнейшая стратегия устранения повреждений, ремонта, восстановления или перераспределения нагрузок. На этом же этапе дефектологи могут дать рекомендации по усилению железобетонных конструкций с учетом специфики повреждений, которые могут зафиксировать только инструменты неразрушающего контроля. Важную роль в определении способов укрепления конструкции будут играть и конкретные технико-физические параметры, на которых эксплуатируется сооружение.

Технические характеристики усиления

Параметры средств усиления могут меняться в зависимости от конфигурации приложения дополнительного усилия и конкретных требований к поддержке конструкции. Наиболее распространенные характеристики – это модуль упругости средства поддержки и прочность на растяжение. Так, оптимальное усиление железобетонных конструкций композитными материалами в среднем обеспечивает упругость в диапазоне 70 000-640 000 МПа и показатели прочности на растяжение – от 1500 до 5000 МПа. Разумеется, необязательно в каждом случае стремиться к максимальным показателям. Выбор конкретного мощностного потенциала элементов поддержки и укрепления зависит от текущего состояния ЖБ-конструкции.

Что касается размерных параметров, то они будут зависеть от схемы укрепления, которая составляется на основе планировочного решения. Например, фрагментарное усиление железобетонной плиты может выполняться за счет дополнительной поддержки безбалочного монолитного модуля толщиной 300 мм. Укрепляющие колонны обычно имеют среднее сечение 400х400 мм и расставляются под перекрытием с шагом 5-7,5 м. Расстояния пролетов определяется напряженно-деформированным состоянием перекрытий и несущих стен.

В комплексном виде, к примеру, усиление железобетонных конструкций углеволокном может иметь следующие технические характеристики:

• Толщина элемента – 0,3 мм.
• Ширина – 300 мм.
• Масса – 500 г/м².
• Модуль упругости – 230000 Н/мм².
• Плотность – 1,7 г/см³.
• Прочностные показатели на растяжение – 4000 Н/мм².
• Прочность на срез конструкции – 7 Н/мм².
• Прочность на сжатие материала – 70 Н/мм².
• Деформация при разрыве конструкции – 1,6 %.
• Адгезия композитного волокна к бетонной структуре – 4 Н/мм².
• Модуль Юнга – 400 Н/мм².

Специфика использования современных композитных материалов обусловлена тем, что существенную роль в монтажных операциях с ними играет клеевой состав. Зачастую он выступает в качестве самостоятельного заделочно-восстановительного средства укрепления бетонной конструкции. Например, эпоксидные составы вполне могут выполнять функции заделки технологических швов и стыков.

Нормативные требования

В процессе расчета, проектирования и выполнения монтажных работ следует ориентироваться на несколько ГОСТов, среди которых - 31937, 22690 и 28570. Эти документы в разной степени регулируют мероприятия по техническому обслуживанию и реконструкции зданий и сооружений. Также необходимо учитывать нормативы документа СП 63.13330, в котором даются конкретные указания по организации и выполнению ремонтно-восстановительных мероприятий, касающихся в том числе усиления железобетонных конструкций композитными материалами. СП 164.1325800 также поможет в использовании других пластиковых и стекловолоконных материалов для армирования. Общие нормативные правила, на которые стоит ориентироваться, выглядят следующим образом:

• Разработка проекта усиления должна производиться только на основе данных натурного обследования конструкций.
• К моменту расчета по материалам и конфигурации монтажных работ должны быть подготовлены сведения о размерах целевого объекта, его состоянии, способах армирования, прочности бетона и т.д.
• После обследования выносится принципиальное решение о допустимости конструкции к ремонту с дальнейшей эксплуатацией.
• Армирующие мероприятия следует производить так, чтобы композитные волокна или металлические стержни обеспечивали совместную нагрузочную работу с бетонной структурой.
• Не допускается выполнять усиление конструкций, в которых наблюдаются очаги коррозийного повреждения.
• В процессе подготовки проекта важно рассчитать и необходимость обеспечения дополнительных защитных свойств материала, например включить в структуру огнеупорные или влагостойкие покрытия.

Пособия по усилению железобетонных конструкций

Наряду с правилами, регулирующими сферу ремонта и восстановления строительных конструкций, будет нелишним изначально подготовить и базу методических материалов, которые помогут практически решить поставленные задачи. На сегодняшний день существует немало наглядных инструкций, которые пошагово и наглядно описывают технологии применения конкретных способов реконструкции тех или иных сооружений. Например, ООО «Интераква» и «НИИЖБ» предлагают комплексное руководство по усилению железобетонных конструкций композитными материалами на базе свода правил СП 52-101-2003. В материале дается описание выбора конструкционных решений, принципов расчета укрепления стен и перекрытий, а также технологические методы применения углеродных деталей.

Если же речь идет о промышленных объектах, то могут применяться узкоспециализированные пособия, в которых делается акцент и на особых условиях эксплуатации сооружений. В частности, ООО «Дальневосточный ПромстройНИИпроект» предлагает инструкцию по усилению железобетонных конструкций серии 1.400.1-18. В данном материале освещаются нюансы укрепления несущих стен и перекрытий в структуре производственных зданий.

Разработка проекта усиления конструкций

Главная задача этого этапа заключается в предложении конкретного технического решения для реализации укрепления структуры целевого объекта. В процессе разработки специалисты руководствуются данными о характеристиках материалов конструкции, их геометрических параметрах, условиях эксплуатации и имеющихся повреждениях. На данный момент выработаны следующие принципы проектирования усиления железобетонных конструкций:

• Взаимосвязанность компонентов. Частой ошибкой, которая встречается при строительстве, является рассмотрение рабочего участка в изолированном формате. То есть несущая стена, к примеру, будет рассчитываться по прямым нагрузкам на нее без акцента на ближние факторы влияния. На деле же качественную и долговечную систему можно спроектировать только при комплексном учете всех факторов эксплуатации.
• Оптимизация. Задачи усиления конструкций могут решаться разными путями, и практически в каждом случае найдется решение, которое позволит объекту сохранить высокий рабочий ресурс. Но желательно при этом стремиться к минимизации объемов работ, массе вспомогательных поддерживающих деталей и рационализации использования расходников. Чем ниже степень вмешательства в структуру сооружения, тем выше его надежность. Кстати, минимизировать объемы включения инородных элементов как раз позволяют современные технологии усиления железобетонных конструкций композитными материалами, которые имеют меньший размер и вес по сравнению с металлическими аналогами.
• Экономическая рационализация. Даже если есть возможность использовать крупные финансовые ресурсы при осуществлении проекта усиления, важно учитывать, что сложные и массивные технические решения всегда требуют и больших расходов уже в процессе техобслуживания при эксплуатации сооружения.
• Соответствие установленным требованиям. Каждый этап проектирования должен учитывать и общие нормативные правила, и конкретные требования технико-конструкционного устройства применительно к целевому зданию.

Правила расчета усиления железобетонных конструкций

Технический расчет конструкций – основа проектировочных работ, в ходе которой соотносятся фактические нагрузки с силовыми потенциалами материалов, используемых для усиления. Исходные данные для комплексного расчета берутся из схемы конструкции, ее размеров, действующих нагрузок и характера поврежденности. Отдельными статьями в оценке материалов для усиления железобетонной конструкции выступают расчетные показатели по прочности на сжатие, высоте зоны сжатия, устойчивости по наклонным сечениям и т.д.

Основополагающей величиной конструкции, определяющей способность справляться с фактическими нагрузками, будет момент максимального изгиба. Для его расчета используются коэффициенты надежности по материалу и нагрузке. Также определяется характер распределения повреждений по сечению конструкции с учетом степени ее упругости. Если начальный максимальный момент изгиба превышает процесс трещинообразования по сечению, то расчет должен выполняться равно как для сечения с трещинами без учета потенциала для развития деформации.

В расчетах применяются и постоянные величины целевых материалов для усиления конструкций. Современные руководства по усилению железобетонных конструкций, в частности, опираются на следующие показатели:

• Прочность – диапазон от 1000 до 1500 МПа, но не меньше.
• Модуль упругости – от 50 до 150 ГПа.
• Температура стеклования (используется для композитов) – не меньше 40 °С.

Размерные параметры и монтажная конфигурация определяются в индивидуальном порядке применительно к конкретной конструкции.

Классификация методов усиления

Современные технологии позволяют использовать обширный перечень средств технического укрепления различных конструкций, подстраиваясь под конкретные условия эксплуатации. На базовом уровне стоит разделить все способы усиления железобетонных конструкций по признаку физического состояния. В частности, можно выделить жидкие, тканые и твердотельные элементы. В первом случае укрепление будет выполняться по методу заделки внешних повреждений. Это может быть и устранение трещин посредством песчано-цементного раствора, и герметизация стыков клеевыми строительными составами. Тканевые материалы используются реже и по большей части в качестве армирующего средства, которое накладывается на участок заливки теми же укрепляющими растворами.

Что касается твердотельных элементов, то они представляют собой конструкционные детали, которые тем или иным способом интегрируются или накладываются на поврежденную структуру. В данном случае методы усиления железобетонных конструкций можно разделить и по типу используемого материала (металл, композиты, камень), и по монтажной конфигурации. Наиболее популярным способом укрепления твердотельными изделиями является поясное армирование, при котором профильные накладки зажимают поврежденную область. Но это не единственный вариант использования таких изделий.

Основные методы усиления ЖБ-конструкций

В зависимости от результатов первоначального обследования и на основе проектного решения могут использоваться следующие способы усиления железобетонных конструкций:

• Укладка ремонтной штукатурки в целях восстановления структуры бетонной поверхности. Если есть открытые зоны прохождения арматуры, их также заделывают грунтующими смесями или штукатуркой.
• Введение бетонного раствора в полости, трещины, пустоты и другие внутренние дефекты конструкции, выявленные средствами неразрушающего контроля.
• Торкретирование бетонной смесью. Специальными пушками при высокой скорости на поверхность наносится бетонный раствор. Такая механика обработки поврежденных участков позволяет формировать плотные укрепляющие слои высокой прочности.
• Усиление фундаментной основы, на которую упирается конструкция. Это делается посредством железобетонных обойм, металлических поясов, анкерных стяжек и других твердотельных элементов.
• Укрепление железобетонных колонн, балок и стен посредством монтажа сложных армирующих обойм, каркасов и рубашек. В таком устройстве могут задействоваться элементы армирования, опалубки и торкретирования. Поскольку этот метод предполагает создание довольно весомых дополнительных сооружений, в рекомендациях по усилению железобетонных конструкций рекомендуют тщательно рассчитывать максимальную нагрузку на перекрытие. Иначе спустя некоторое время можно будет обнаружить трещины уже в структуре несущих элементов нижнего уровня.
• Точечное повышение стойкости ригелей, балок, стоек и опорных элементов композитами. Для таких целей используются мелкоформатные, но прочные детали из углепластика, кевлара, карбона и т.д.

Как показывает практика, наиболее эффективным решением в поддержке силового потенциала ЖБ-конструкций является именно структурное изменение их основы. Дополнение стен и перекрытий сторонними элементами поддержки наподобие распорок, напротив, считается малоэффективным и технологически нецелесообразным. Но опять же конкретные решения следует принимать на основе комплексного обследования и расчета.

Усиление сталью и композитами – что лучше?

Принципиальное разделение по многим способам укрепления строительных сооружений проходит по типу используемого материала. Силовые твердотельные стержни и конструкционные элементы являются наиболее распространенной усиливающей фурнитурой, но выполняться она может и на основе традиционных стальных сплавов, и с применением современных пластиков. Что же лучше?

К преимуществам металла стоит отнести его универсальность, высокую прочность и доступную стоимость. К слову, усиление железобетонных конструкций углеволокном при всех положительных технико-физических качествах может обойтись на 20-30 % дороже, чем с применением даже качественной нержавейки. Чем же оправдываются такие затраты? Все же композиты демонстрируют непревзойденные показатели прочности на растяжение, которые превосходят даже сталь. Также, в отличие от бетона, углеволокно характеризуется более высоким ресурсом усталостной прочности, что исключает промежуточные реставрационные мероприятия в процессе многолетней эксплуатации здания. Есть ли недостатки у композитов кроме высокой цены? Есть нюансы экологического свойства, поскольку в основу материала все же закладывается пластик, но значимость влияния синтетических добавок минимальна с точки зрения опасности для человека.

Заключение

Мероприятия по ремонту, восстановлению и укреплению железобетонных конструкций, как правило, требуют немало организационных и финансовых затрат. Это связано со сложностью их конструкции и технологической проблематикой выполнения монтажных операций. Даже незначительные косметические процедуры нужно производить в несколько этапов - от дефектовки с подготовкой объекта к работам до непосредственного устранения повреждений или повышения прочностных качеств материалов. Поэтому в рекомендациях по проектированию усиления железобетонных конструкций специалисты отмечают необходимость рассмотрения наиболее технически гибких вариантов решения задачи. Например, простейшая замена стальной арматуры диаметром 12 мм на углепластиковый стержень толщиной 8 мм при том же эффекте усиления позволит минимизировать до 50 % силозатрат. Но разумеется, подобная оптимизация возможна не всегда. На первый план в любом случае должны выходить принципы сохранения требуемой прочности, упругости и жесткости конструкций. Следование нормативным планам и качественным схемам монтажа позволит рационально выполнить укрепление, максимально отодвинув срок необходимости выполнения полной реконструкции здания с заменой железобетонной конструкции.