W przemyśle budowlanym i wielkopowierzchniowym konstrukcje żelbetowe często odgrywają kluczową rolę, służąc jako ramy, sufity i platformy funkcjonalne dla różnych budynków. Przenoszą wielotonowe obciążenia działające zarówno w trybie statycznym, jak i dynamicznym. Z biegiem czasu stres może wpływać na stan konstrukcji. W rezultacie wymagane jest zbrojenie konstrukcji żelbetowych w taki czy inny sposób. Konkretna metodologia przeprowadzania takich operacji zależy od warunków eksploatacji obiektu, parametrów technicznych i fizycznych oraz wymagań planistycznych.
Co to są konstrukcje żelbetowe?
Przede wszystkim powinieneś zdecydować, czym jest w zasadzie konstrukcja żelbetowa. W budownictwie kapitałowym toczęść konstrukcji, która przyjmuje zwiększone obciążenia eksploatacyjne. Podstawę konstrukcji stanowi konstrukcja betonowa, a jako jej podstawowe zbrojenie stosuje się pręty zbrojeniowe. Jednocześnie wzmocnienie i renowację konstrukcji żelbetowych można przeprowadzić kompleksowo i częściowo. Jeżeli wadliwy obszar na powierzchni został zidentyfikowany przez diagnostykę, to naprawa będzie dotyczyła przede wszystkim tej części, chociaż najpierw należy zbadać przyczyny zniszczenia, co może uzasadniać możliwość odtworzenia innych odcinków konstrukcji.
Co należy rozumieć przez wzmocnienie jako takie? Jest to operacja techniczna w budownictwie, dzięki której wydłuża się żywotność budynków, a zwłaszcza poszczególnych konstrukcji. Istnieją różne metody naprawy i wzmacniania konstrukcji żelbetowych. Wszystkie z nich, w różnym stopniu, obejmują rozwiązanie następujących zadań:
- Zwiększenie wytrzymałości węzłów i elementów nośnych konstrukcji poprzez dodanie nowych elementów. Tymi ostatnimi mogą być belki, nadproża, części wspornikowe, usztywnienia itp.
- Rozładunek lub redystrybucja masy działającej na żelbetową podstawę. W tym przypadku wpływa to na rozmieszczenie struktur, które mechanicznie wpływają na docelowy obszar fortyfikacji. Rozładunek zmniejsza zapotrzebowanie na konstrukcje żelbetowe.
- Zwiększenie podstawowych cech wytrzymałościowych obiektu i jego elementów poprzez wymianę.
Gdy konieczne jest wzmocnienie RC-projekty?
Już na etapie wznoszenia ramy nośnej rozwiązania techniczne i materiały budowlane dobierane są zgodnie z przyszłymi obciążeniami z oczekiwaniem długotrwałej eksploatacji. Z biegiem czasu, pod wpływem różnych czynników, stan techniczny konstrukcji ulega pogorszeniu i pojawia się konieczność podparcia jej krytycznych elementów. Pełne zbrojenie konstrukcji żelbetowych należy wykonać w następujących przypadkach:
- Utrata wytrzymałości konstrukcyjnej na skutek starzenia i zmęczenia materiałów. Dotyczy to zwłaszcza konstrukcji betonowej, która jest poddawana negatywnym wpływom chemicznym i naturalnym naprężeniom mechanicznym.
- Przebudowa budynku, w wyniku której zmienia się konfiguracja ścian nośnych, belek, słupów, kratownic i konsol. W konstrukcyjnych punktach kotwiczenia może być wymagane wzmocnienie lub odciążenie masy.
- Zmiana liczby pięter. Następuje również redystrybucja ciężaru na słupy, stropy i ściany, co wymaga rewizji i nośności elementów konstrukcji.
- Ruchy gruntu, które już zdeformowały lub zmieniły konfigurację uderzenia na fundament, aw konsekwencji na węzły nośne ramy. Wymagane jest również przywrócenie równowagi sił między konstrukcjami.
- Zniszczenie lub częściowe uszkodzenie części nośnych lub poszczególnych elementów w wyniku wypadków, klęsk żywiołowych, trzęsień ziemi, katastrof spowodowanych przez człowieka.
- Gdy błędy zostaną wykryte na etapie projektowania lub zidentyfikowane już w trakcie eksploatacji budynku.
W tym przypadku główny i najbardziejtypowe przyczyny, które pociągają za sobą potrzebę wzmocnienia konstrukcji żelbetowych w taki czy inny sposób. Specyfikę zużycia lub uszkodzenia należy określić podczas kompleksowego przeglądu, na podstawie którego opracowywany jest projekt wzmocnienia konstrukcji i wybierany jest najlepszy sposób jego realizacji.
Diagnozowanie i rozwiązywanie problemów z projektem
Przegląd techniczny przeprowadzany jest zgodnie z harmonogramem lub nieplanowany w przypadku ewidentnych oznak zniszczenia budynku. Ta część działalności jest regulowana normami badań nieniszczących zgodnie z GOST 22690 i 17624. Ocena na podstawie wyników badania jest dokonywana zgodnie z zestawem zasad (SP) dotyczących wzmacniania konstrukcji żelbetowych pod numer 63.13330.
Procedury diagnostyczne rozpoczynają się od oględzin, podczas których wykrywane są uszkodzenia zewnętrzne – wady, odpryski, pęknięcia itp. Aby wykryć ukryte uszkodzenia, stosuje się nieniszczące metody badań. Takie zadania rozwiązuje się za pomocą specjalnego sprzętu, np. defektoskopów elektromagnetycznych lub ultradźwiękowych. W szczególności do rozwiązywania problemów z żelbetem coraz częściej stosuje się urządzenia ultradźwiękowe pracujące metodą georadarową i echo-impulsową. Podczas oględzin ubytki, obecność agresywnych składników w konstrukcji, zniszczenie prętów zbrojeniowych, ślady korozji itp.
Na podstawie uzyskanych danych opracowywana jest dalsza strategia w celu wyeliminowania uszkodzeń, naprawy, przywrócenia lubredystrybucja obciążeń. Na tym samym etapie defektolodzy mogą wydać zalecenia dotyczące wzmocnienia konstrukcji żelbetowych, biorąc pod uwagę specyfikę uszkodzeń, które można naprawić jedynie za pomocą nieniszczących narzędzi badawczych. Ważną rolę w określeniu sposobu wzmocnienia konstrukcji będą odgrywać określone parametry techniczne i fizyczne, na jakich konstrukcja jest eksploatowana.
Specyfikacja wzmocnienia
Parametry wzmocnień mogą się różnić w zależności od konfiguracji przyłożenia dodatkowej siły oraz specyficznych wymagań dotyczących podparcia konstrukcji. Najczęstszymi cechami są moduł sprężystości podpory i wytrzymałość na rozciąganie. Tak więc optymalne wzmocnienie konstrukcji żelbetowych materiałami kompozytowymi zapewnia średnio elastyczność w zakresie 70 000-640 000 MPa i wskaźniki wytrzymałości na rozciąganie - od 1500 do 5000 MPa. Oczywiście nie w każdym przypadku trzeba dążyć do maksymalnej wydajności. Wybór określonego potencjału mocy elementów podporowych i zbrojeniowych uzależniony jest od aktualnego stanu konstrukcji żelbetowej.
Jeśli chodzi o parametry wymiarowe, będą one zależeć od schematu wzmocnienia, który jest opracowywany na podstawie rozwiązania projektowego. Przykładowo, fragmentaryczne zbrojenie płyty żelbetowej można wykonać poprzez dodatkowe podparcie monolitycznego modułu bezbelkowego o grubości 300 mm. Słupy zbrojeniowe mają zwykle średni przekrój 400x400 mm i są umieszczane pod podłogą w odstępach 5-7,5 m.określane przez stan naprężenia-odkształcenia stropów i ścian nośnych.
W postaci złożonej, na przykład, zbrojenie konstrukcji żelbetowych włóknem węglowym może mieć następujące właściwości techniczne:
- Grubość elementu wynosi 0,3 mm.
- Szerokość - 300 mm.
- Waga - 500 g/m2.
- Moduł sprężystości – 230000 N/mm2.
- Gęstość – 1,7 g/cm3.
- Wytrzymałość na rozciąganie - 4000 N/mm2.
- Wytrzymałość konstrukcji na ścinanie - 7 N/mm2.
- Wytrzymałość materiału na ściskanie - 70 N/mm2.
- Odkształcenie przy zerwaniu konstrukcji – 1,6%.
- Przyczepność włókien kompozytowych do konstrukcji betonowej - 4 N/mm2.
- Moduł Younga - 400 N/mm2.
Specyfika zastosowania nowoczesnych materiałów kompozytowych wynika z faktu, że skład klejowy odgrywa znaczącą rolę w operacjach montażu z nimi. Często działa jako niezależny środek uszczelniający i odnawiający wzmacniający konstrukcję betonową. Na przykład związki epoksydowe mogą dobrze pełnić funkcje uszczelniania szwów i połączeń technologicznych.
Regulamin
W procesie obliczania, projektowania i wykonywania prac instalacyjnych należy kierować się kilkoma GOST, wśród których są 31937, 22690 i 28570. Dokumenty te w różnym stopniu regulują konserwację i rekonstrukcję budynków i budowli. Konieczne jest również uwzględnienie norm dokumentu SP 63.13330, który zawiera szczegółowe instrukcje dotycząceorganizacja i realizacja działań naprawczych i renowacyjnych, w tym wzmacnianie konstrukcji żelbetowych materiałami kompozytowymi. SP 164.1325800 pomoże również w wykorzystaniu innych materiałów z tworzywa sztucznego i włókna szklanego do wzmocnienia. Ogólne przepisy, na które należy zwrócić uwagę, są następujące:
- Opracowanie projektu zbrojenia powinno odbywać się wyłącznie na podstawie danych z badań terenowych konstrukcji.
- Do czasu obliczenia materiałów i konfiguracji prac instalacyjnych należy przygotować informacje o wielkości obiektu docelowego, jego stanie, metodach zbrojenia, wytrzymałości betonu itp.
- Po badaniu podejmowana jest zasadnicza decyzja o dopuszczeniu konstrukcji do naprawy z dalszą eksploatacją.
- Środki wzmacniające powinny być wykonane tak, aby włókna kompozytowe lub metalowe pręty zapewniały pracę obciążenia połączenia z konstrukcją betonową.
- Niedozwolone jest wzmacnianie konstrukcji, w których występują ogniska uszkodzeń korozyjnych.
- W procesie przygotowania projektu ważna jest również kalkulacja konieczności zapewnienia dodatkowych właściwości ochronnych materiału, np. włączenie do konstrukcji powłok ogniotrwałych lub odpornych na wilgoć.
Korzyści ze zbrojenia betonu
Wraz z zasadami regulującymi naprawę i renowację konstrukcji budowlanych przydałoby się wstępne przygotowanie bazy materiałów metodycznych, które pomogąrozwiązywać zadania w praktyce. Do chwili obecnej istnieje wiele instrukcji wizualnych, które krok po kroku i wizualnie opisują technologie stosowania określonych metod rekonstrukcji niektórych struktur. Na przykład LLC „Interaqua” i „NIIZHB” oferują kompleksowy przewodnik po wzmacnianiu konstrukcji żelbetowych materiałami kompozytowymi w oparciu o zestaw zasad SP 52-101-2003. Materiał opisuje dobór rozwiązań konstrukcyjnych, zasady obliczania wzmocnień ścian i stropów, a także metody technologiczne wykorzystania części węglowych.
Jeśli mówimy o obiektach przemysłowych, wówczas można skorzystać z wysoce specjalistycznych instrukcji, które również skupiają się na specjalnych warunkach eksploatacji konstrukcji. W szczególności Far East PromstroyNIIproject LLC oferuje instrukcje wzmacniania konstrukcji żelbetowych serii 1.400.1-18. Materiał ten podkreśla niuanse wzmacniania ścian nośnych i stropów w konstrukcji budynków przemysłowych.
Opracowanie projektu zbrojenia konstrukcyjnego
Głównym zadaniem tego etapu jest zaproponowanie konkretnego rozwiązania technicznego do realizacji wzmocnienia konstrukcji obiektu docelowego. W procesie rozwoju specjaliści kierują się danymi o charakterystyce materiałów konstrukcyjnych, ich parametrach geometrycznych, warunkach eksploatacji oraz istniejących uszkodzeniach. W chwili obecnej opracowano następujące zasady projektowania zbrojenia konstrukcji żelbetowych:
- Wzajemne połączenie komponentów. Częstym błędem, który pojawia się podczas budowy, jest rozważenie miejsca pracyw izolowanym formacie. Oznacza to, że na przykład ściana nośna zostanie obliczona na podstawie bezpośrednich obciążeń na nią, bez skupiania się na pobliskich czynnikach wpływu. W rzeczywistości wysokiej jakości i trwały system można zaprojektować tylko z uwzględnieniem wszystkich czynników operacyjnych.
- Optymalizacja. Zadania wzmacniania konstrukcji można rozwiązywać na różne sposoby i prawie w każdym przypadku istnieje rozwiązanie, które pozwoli na utrzymanie obiektu na wysokim poziomie żywotności. Ale jednocześnie pożądane jest dążenie do zminimalizowania ilości pracy, masy pomocniczych części nośnych i racjonalizacji zużycia materiałów eksploatacyjnych. Im niższy stopień ingerencji w strukturę konstrukcji, tym wyższa jej niezawodność. Nawiasem mówiąc, nowoczesne technologie wzmacniania konstrukcji żelbetowych materiałami kompozytowymi, które są mniejsze pod względem gabarytów i ciężaru w porównaniu do odpowiedników metalowych, pozwalają po prostu zminimalizować objętość wtrąceń elementów obcych.
- Racjonalizacja ekonomiczna. Nawet jeśli możliwe jest wykorzystanie dużych środków finansowych przy realizacji projektu zbrojenia, należy wziąć pod uwagę, że złożone i masywne rozwiązania techniczne zawsze wymagają wysokich kosztów już w procesie utrzymania w trakcie eksploatacji konstrukcji.
- Zgodność z ustalonymi wymaganiami. Każdy etap projektowania musi uwzględniać zarówno ogólne zasady normatywne, jak i specyficzne wymagania urządzenia techniczno-konstrukcyjnego w odniesieniu do docelowego budynku.
Zasady obliczania zbrojenia konstrukcji żelbetowych
Obliczenia techniczne konstrukcji są podstawą prac projektowych, podczas których rzeczywiste obciążenia są skorelowane z potencjałami mocy materiałów użytych do zbrojenia. Początkowe dane do złożonych obliczeń są pobierane ze schematu projektowego, jego wymiarów, działających obciążeń i charakteru uszkodzenia. Odrębnymi artykułami w ocenie materiałów do zbrojenia konstrukcji żelbetowych są obliczane wskaźniki wytrzymałości na ściskanie, wysokości strefy ściskania, stateczności wzdłuż nachylonych przekrojów itp.
Podstawową wartością projektu, która określa zdolność radzenia sobie z rzeczywistymi obciążeniami, będzie moment maksymalnego zginania. Do jego obliczeń wykorzystuje się współczynniki niezawodności dla materiału i obciążenia. Określany jest również charakter rozkładu uszkodzeń na przekroju konstrukcji z uwzględnieniem stopnia jej elastyczności. Jeżeli początkowy maksymalny moment zginający przekracza proces pękania wzdłuż przekroju, to obliczenia należy przeprowadzić w taki sam sposób jak dla przekroju z pęknięciami, bez uwzględniania możliwości rozwoju deformacji.
Stałe wartości materiałów docelowych są również wykorzystywane w obliczeniach do wzmacniania konstrukcji. Nowoczesne wytyczne dotyczące wzmacniania konstrukcji żelbetowych w szczególności opierają się na następujących wskaźnikach:
- Siła - zakres od 1000 do 1500 MPa, ale nie mniej.
- Moduł sprężystości - od 50 do 150 GPa.
- Temperatura zeszklenia (stosowana do kompozytów) - nie mniej niż 40 °С.
Parametry wymiarowe i konfiguracja montażu ustalane są indywidualnie w odniesieniu do konkretnegoprojekty.
Klasyfikacja metod zbrojenia
Nowoczesne technologie pozwalają na zastosowanie obszernej listy środków technicznego wzmocnienia różnych konstrukcji, dostosowując je do konkretnych warunków eksploatacji. Na poziomie podstawowym warto podzielić wszystkie sposoby wzmacniania konstrukcji żelbetowych w oparciu o ich stan fizyczny. W szczególności można wyróżnić elementy płynne, tkane i stałe. W pierwszym przypadku wzmocnienie zostanie przeprowadzone zgodnie z metodą naprawy uszkodzeń zewnętrznych. Może to być likwidacja pęknięć za pomocą zaprawy piaskowo-cementowej oraz uszczelnienie spoin klejowymi masami budowlanymi. Materiały tkaninowe są używane rzadziej i najczęściej jako środek wzmacniający, który nakłada się na wylany obszar za pomocą tych samych roztworów wzmacniających.
Jeśli chodzi o bryły, są to części konstrukcyjne, które są w jakiś sposób zintegrowane lub nałożone na uszkodzoną strukturę. W tym przypadku metody wzmacniania konstrukcji żelbetowych można podzielić zarówno ze względu na rodzaj użytego materiału (metal, kompozyty, kamień) jak i konfigurację montażu. Najpopularniejszą metodą wzmacniania produktami stałymi jest wzmocnienie pasa, w którym wyprofilowane podkładki zaciskają uszkodzony obszar. Ale to nie jedyny sposób na wykorzystanie takich produktów.
Podstawowe metody wzmacniania konstrukcji żelbetowych
W zależności od wyników wstępnego badania i na podstawie decyzji projektowejmożna zastosować następujące metody wzmacniania konstrukcji żelbetowych:
- Układanie tynku naprawczego w celu przywrócenia struktury powierzchni betonu. Jeśli istnieją otwarte przestrzenie do przejścia zbrojenia, należy je również uszczelnić mieszankami podkładowymi lub tynkiem.
- Wprowadzanie zaprawy betonowej do ubytków, pęknięć, pustek i innych wewnętrznych wad strukturalnych wykrytych w badaniach nieniszczących.
- Ściek betonowy z mieszanką betonową. Zaprawę betonową nakłada się na powierzchnię specjalnymi pistoletami z dużą prędkością. Ta mechanika leczenia uszkodzonych obszarów pozwala na tworzenie gęstych warstw wzmacniających o wysokiej wytrzymałości.
- Wzmocnienie fundamentu, na którym opiera się konstrukcja. Odbywa się to za pomocą żelbetowych klipsów, metalowych pasów, kotew i innych solidnych elementów.
- Wzmacnianie żelbetowych słupów, belek i ścian poprzez instalację złożonych klipsów wzmacniających, ram i koszul. W takim urządzeniu można zastosować elementy zbrojenia, szalunku i betonu natryskowego. Ponieważ ta metoda wiąże się z tworzeniem dość znaczących dodatkowych konstrukcji, zalecenia dotyczące wzmocnienia konstrukcji żelbetowych zalecają dokładne obliczenie maksymalnego obciążenia stropu. W przeciwnym razie po pewnym czasie będzie można wykryć pęknięcia już w konstrukcji elementów nośnych dolnego poziomu.
- Punktowe zwiększenie trwałości poprzeczek, belek, słupków i elementów wsporczych z kompozytami. Do takich celów małoformatowe, ale trwałe części wykonane z włókna węglowego, kevlaru, karbonu iitp.
Jak pokazuje praktyka, najskuteczniejszym rozwiązaniem we wspieraniu potencjału energetycznego konstrukcji żelbetowych jest właśnie zmiana konstrukcyjna ich fundamentu. Przeciwnie, dodanie ścian i sufitów z elementami wsporczymi innych firm, takimi jak rozpórki, jest uważane za nieskuteczne i technologicznie niecelowe. Ale znowu, konkretne decyzje powinny być podejmowane na podstawie kompleksowego badania i kalkulacji.
Zbrojenie stalą i kompozytami - co jest lepsze?
Podstawowy podział na wiele sposobów wzmacniania konstrukcji budowlanych opiera się na rodzaju użytego materiału. Pręty półprzewodnikowe mocy i elementy konstrukcyjne są najczęstszymi armaturami zbrojeniowymi, ale mogą być wykonane na bazie tradycyjnych stopów stali i przy użyciu nowoczesnych tworzyw sztucznych. Co jest lepsze?
Zaletami metalu są jego wszechstronność, wysoka wytrzymałość i przystępna cena. Nawiasem mówiąc, wzmocnienie konstrukcji żelbetowych włóknem węglowym, ze wszystkimi pozytywnymi właściwościami technicznymi i fizycznymi, może kosztować o 20-30% więcej niż użycie nawet wysokiej jakości stali nierdzewnej. Co uzasadnia takie koszty? Jednak kompozyty wykazują niezrównaną wytrzymałość na rozciąganie, przewyższającą nawet stal. Ponadto, w przeciwieństwie do betonu, włókno węglowe charakteryzuje się wyższym zasobem wytrzymałości zmęczeniowej, co eliminuje pośrednie zabiegi renowacyjne podczas długotrwałej eksploatacji budynku. Czy oprócz wysokiej ceny są jakieś wady kompozytów? Istnieją niuanse właściwości ekologicznych, ponieważ wtworzywo sztuczne jest nadal podstawą materiału, ale znaczenie wpływu dodatków syntetycznych jest minimalne z punktu widzenia zagrożenia dla ludzi.
Wniosek
Środki do naprawy, renowacji i wzmocnienia konstrukcji żelbetowych z reguły wymagają dużych nakładów organizacyjnych i finansowych. Wynika to ze złożoności ich konstrukcji oraz problemów technologicznych związanych z wykonywaniem operacji instalacyjnych. Nawet drobne zabiegi kosmetyczne muszą być przeprowadzane w kilku etapach - od rozwiązywania problemów z przygotowaniem obiektu do pracy po bezpośrednią eliminację uszkodzeń lub zwiększenie właściwości wytrzymałościowych materiałów. Dlatego w zaleceniach dotyczących projektowania zbrojenia konstrukcji żelbetowych eksperci zwracają uwagę na potrzebę rozważenia najbardziej elastycznych technicznie opcji rozwiązania problemu. Np. najprostsza wymiana zbrojenia stalowego o średnicy 12 mm na pręt z włókna węglowego o grubości 8 mm przy takim samym efekcie zbrojenia zminimalizuje do 50% kosztów energii. Ale oczywiście taka optymalizacja nie zawsze jest możliwa. W każdym razie na pierwszy plan wysuwają się zasady zachowania wymaganej wytrzymałości, elastyczności i sztywności konstrukcji. Przestrzeganie planów normatywnych i wysokiej jakości schematów instalacyjnych pozwoli na racjonalne wykonanie wzmocnień, maksymalnie odsuwając w czasie konieczność zakończenia przebudowy budynku z wymianą konstrukcji żelbetowej.
