Методы усиления железобетонных и строительных конструкций

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Введение

усиление железобетонный каменный

На данный момент строительство стало одной из самых важный отраслей в нашей стане, она характеризуется значительным объемом вложений средств, а также большим числом рабочей силы. Выполнение планов строительства культурно-бытовых зданий и жилых домов является одной из самых важных задач, имеющих социально-политическое значение.

Для более качественной постройки и для повышения сроков эксплуатации необходимо дополнительно усиливать конструкции зданий. Это является одной из наиболее актуальных задач при строительстве тех или иных зданий. Причем усиливать необходимо как уже эксплуатируемые сооружения (причиной может являться даже естественный износ), так и вновь строящиеся.

Сейчас я приведу причины усиления конструкций, которые наиболее распространены:

Реконструкция и(или) перепланировка здания (увеличение геометрических размеров сечения или даже конструкции в целом);

Ошибка проектирования (проектирование было без неполных или достоверных данных гидрогеологических и геологических исследований) ;

Нарушение технологии строительства;

Снижение фактической прочности бетона;

Разрушение бетона, которое вызвано пожаром;

Повышение несущей нагрузки;

Усадочная и силовая трещина;

Нарушение правил эксплуатации;

Поражение коррозией;

Ранняя распалубка и др.

Под усилением подразумевается повышение прочностных характеристик конструкций. При несвоевременном усилении здание может подвергнуться разрушению это, в лучшем случае, повлечет за собой материальные затраты, ну а худшем - человеческие жертвы.

Усиление железобетонных конструкций, каменных и кирпичных столбов, простенков, пилястр могут осуществляться различными методами. Наиболее подходящий метод определяется после проведения экспертизы объекта.

1.Основные методы усиления железобетонных конструкций

Железобетонная конструкция - это элементы зданий и сооружений, которые выполняются из железобетона. Так же именно они являются основным видом строительных конструкций при строительстве промышленных и жилых зданий, канализационных и водопроводных сооружений, а так же плотин, эстакад и т.п..

Железобетонные конструкции получили широкое распространение. Это обусловлено тем, что они обладают универсальными свойствами железобетона, который представляет собой единство бетона (бетон - это материал, который хорошо воспринимает сжатие) и стальной арматуры (арматура хорошо работает на растяжение). В железобетоне сталь и бетон крепко связаны между собой. Они совместно участвуют в работе конструкции, тем самым обеспечивают прочность под действием изгибающих сил.

Железобетонные конструкции бывают:

- Монолитные (изготавливаются непосредственно на месте строительства);

- Сборные (отдельные элементы, изготовленные на заводе);

- Сборно-монолитные.

Железобетонные конструкции обладают следующими свойствами:

Долговечность;

Прочность;

Огнестойкость;

Сейсмостойки;

Технологичность (дают возможность получить конструкцию любой конфигурации);

Возможность задерживать продукты радиоактивного излучения;

Не высокие расходы при эксплуатации.

Усиление конструкций -- является главной составляющей любого процесса строительства, который связан с повышением прочности любого сооружения. Усиление конструкций в первую очередь необходимо для продления срока эксплуатации, так как в процессе эксплуатации объектов периодически возникает необходимость ремонта. Это можно объяснить наличием различных воздействий, таких как: аварии, перепланировки, непроектные нагрузки, агрессивные химические среды или допущенные ошибки во время проектирования либо проведения строительных работ.

Для того, чтобы усилить железобетонные конструкции были разработаны несколько способов:

Увеличить геометрические размеры поперечных сечений конструктивных элементов. На ряду с этим увеличивается собственный вес конструкции и увеличивается строительная высота;

Установить внешние стяжки, подпоры, пояса, шпренгелей, приводящие к изменению архитектурного вида сооружения и значительным временным и материальным затратам;

Приклеить металлические пластины.

Но по опыту видно, усиление железобетонных конструкций традиционными методами не всегда оказывает эффективным. В последнее время на отечественном рынке появились более современные методы усиления конструкций, которые широко применяются за рубежом.

Данные методы очень эффективны и просты. Например, если усиливать железобетонные конструкции с помощью наклейки композиционных материалов позволяет в большей степени увеличить их несущую способность и жесткость или даже продлить срок эксплуатации всего объекта.

Основными преимуществами данного материала являются:

- высокая долговечность;

- стойкость к коррозии;

- простота монтажа;

- малый собственный вес;

- совместная работа усиливаемой конструкцией на всех этапах ее загрузки с элементом внешнего армирования (данная работа обеспечивается хорошим клеевым соединением);

- высокое относительное удлинение материалов усиления;

- достаточно высокие механические характеристики (например: прочность и модуль упругости) материалов, которые составляют систему усиления.

Надежность подобного рода усиления доказана экспериментально.

Механические характеристики:

Прочность (от 35 тыс. кг/смІ в углеволокне)

Упругость (до 640 тыс. Мпа, что приблизительно в 3 раза больше, чем у стали)

Для склейки используют специальные монтажные эпоксидные клеи, обладающие технологическим совершенством, ведь их можно наносить на железобетонную конструкцию, имеющую естественную влажность.

Так же у рассматриваемого усиления имеются и недостатки:

- высокая стоимость;

- необходимость защиты от огня (т.к. температура даже самого лучшего эпоксидного клея 60є-65єC);

- необходимость проводить регламентные работы для усиления.

Сейчас я попробую сравнить метод усиления конструкций композитных материалов из углеродного волокна и метод усиления конструкции стальными полосами.

Усиление конструкций стальными панелями.	Усиление конструкций композиционными материалами.
«+»	«-»	«+»	«-»
Относительно низкая стоимость; Эти панели достаточно универсальны; Обладают усталостной прочностью.	Возможна коррозия стальных элементов; Элементы обладают значительным весом; Высокая трудоемкость; Высокая оплата рабочей силе; Требуется большая площадь для выполнения работ; Есть ограничение в размерах.	Высокая стойкость к коррозии; Быстрый процесс; Нет необходимости устраивать рабочие площадки (работа выполняется с автоподъемника); Довольно простое соединение композиционного материала и усиливаемым элементом с помощью клея; Данные панели обладают уникальной прочностью на растяжение (намного выше чем стальные); Высокая усталостная прочность.	Относительно высокая стоимость; Необходимость защиты от огня.

Таблица №1. Сравнение

Еще один способ усиления - это оклейка конструкций стекловолокном. Он намного дешевле, но модули прочность и упругости у него не такие высокие (до 100 тыс. Мпа и 1700 Мпа).

Способ усиления элементами внешнего армирования из высокопрочных волокон имеет ряд обстоятельств:

На данный момент этот метод является самым усовершенствованный в техническом отношении. Часто бывает, что традиционное усиление практически не работает и включить его в совместную с усиливаемой конструкцией работу нельзя.

Данный метод является очень бережным методом. Внешнее вмешательство в конструкцию минимальное. По факту располагаются элементы внешнего армирования только в том направлении, чтобы парировать возможное развитие нежелательных деформаций, трещин и т.п. вдоль главного растягивающего напряжения. В следствии чего усиливаемая конструкция становится еще надежнее даже без дополнительной анкеровки.

Комплексный подход к ремонту и усилению элементов внешнего армирования не монтируются на поврежденную железобетонную конструкцию. А дефекты имеющиеся устраняются методами строительной химии.

Благодаря использованию метода усиления конструкций композитными материалами на основе углеволокна становится возможным усиление стен, колонн, проемов, балок, перекрытии, а также, позволит эксплуатировать объект безопасно, на протяжении многих лет.

2.Усиление каменных и кирпичных столбов, простенков, пилястр

Во время реконструкции жилого здания с кирпичными стенами создается необходимость восстанавливать несущую способность или даже усиливать элементы кладки вследствие повышения нагрузок от новых надстраиваемых этажей. Во время долгосрочной эксплуатации здания можно наблюдать признаки разрушений простенков, кладки стен и столбов вследствие неравномерного осадка фундамента, атмосферного давления, протечки кровли и т.д..

Восстанавливающий процесс несущих способностей кладки принято начать с исключения более распространенных причин трещинообразования. В случае если данному процессу способствует неоднородная осадка здания, то нужно исключить это явление.

Нужно оценить фактическую прочность несущего элемента еще до принятия технического решения по усилению конструкции. Такая оценка включает в себя: метод разрушающих нагрузок, фактическую прочность кирпича, раствора, а ,например, для армированной кладки - пределы текучести стали. При этом нужно полностью учитывать факторы, которые снижают несущую способность зданий. Это такие факторы как например: трещина, нарушение связок, отклонение кладки от вертикали, локальное повреждение, опора плит и т.д..

Накопленный опыт реконструкционных работ по усилению кирпичных кладок дает возможность выделить некоторое количество традиционных технологий. Они основаны на использовании железобетонных и металлических обойм, каркасов (давая полимерные и другие суспензии в тело кладки)

На рис. 2 изображено характерное конструктивно-технологическое решение. Показанные системы направлены на всестороннее обжатие стен с использованием регулируемых натяжных систем.

Рис 2. Конструктивно-технологические варианты усиления кирпичных стен. а - схема усиления кирпичных стен здания металлическими тяжами;

б, в, г - узлы размещения металлических тяжей;

д - схема размещения монолитного железобетонного пояса;

е - то же, тяжами с центрирующими элементами: 

- металлический тяж;

-натяжная муфта: 

- монолитный железобетонный пояс; 

- плита перекрытий; 

- анкер;

-центрирующая рама; 

- опорная пластинка с шарниром.

Для того чтобы создать требуемую степень натяжения в основном используют стяжные муфты, к которым доступ должен быть открыт всегда. Муфты позволяют производить дополнительное натяжение по мере удлинения тяжей вследствие температурных и других деформаций.

Обжатие элементов кирпичных стен производится в местах наибольшей жесткости через распределительные пластины: углы, сопряжения наружных и внутренних стен.

Так же используется конструкция центрирующей рамы. Она предназначена для равномерного обжатия кладки стен и имеет шарнирную опору на опорно-распределительную пластину. Это решение высоко эффективное и может обеспечить долгосрочную эксплуатацию.

Расположение тяжей и центрирующих рам закрывают поясами различного радо, тем самым не нарушая внешний вид фасадных зданий.

Элементы стен, столбов, простенков, имеющие разрушение кирпичной кладки, но которые не потеряли свою устойчивость, делается местная замена кладки. Но здесь уже марка используемого кирпича берется на 1-2 единицы выше, нежели существующая.

Когда необходимо сохранить внешний вид фасадов, то наиболее эффективными приемами считаются восстановления неоштукатуренной кирпичной кладки. В таком случае наиболее тщательно подбирается кирпич по цветовой гамме, размеру и материал швов. По завершению восстановления кладки делается пескоструйная очистка. Это позволяет получить обновленную поверхность, в которой новые участники кладки не отличаются от основного массива.

Каменные конструкции воспринимают в большинстве своем сжимающие усилия, поэтому наиболее эффективный способ их усиления -- это устройство железобетонных, стальных и армоцементных обойм. При всем этом кирпичная кладка в обойме работает в условиях всестороннего сжатия, в случае если поперечные деформации в немалой степени уменьшаются и, как правило, увеличивается сопротивление продольной силе.

Расчетное усилие в металлическом поясе определяется по зависимости:

N = 0,2 RKJl Ч l Ч b, где

RKJl -расчетное сопротивление кладки скалыванию, тс/м2;

L -длина участка усиливаемой стены, м;

b -толщина стены, м.

Первоначальным этапом, обеспечения качественной работы кирпичных стен и а избежание дальнейшего раскола трещин, является реконструкция несущей способности фундаментов методом усиления, который исключает появление неравномерных складок.

Рис. 3 показывает наиболее распространенные варианты усиления каменных столбов и простенков железобетонными, стальными и армоцементными обоймами.

Рис.3 Усиление столбов стальной обоймой(а), армокаркасом (б), сеткой и железобетонной обоймой (в, г)

1 - усиливаемая конструкция; 

2 - элементы усиления;

3 - защитный слой; 

4 - щитовая опалубка с хомутами; 

5 - инъектор; 

6 - материальный шланг.

Состав стальной обоймы: продольные уголки на всю высоту конструкции, поперечные планки(хомуты), плоская или круглая сталь. За шаг хомутов принято принимать более 500 мм, но не более меньшего размера сечения. Для того чтобы включить обойму в работу необходимо инъецировать зазоры, находящиеся между кладкой и стальными элементами. Монолитность конструкции можно достигнуть с помощью оштукатуривания высокопрочным цементно-песчаным раствором с добавлением пластификаторов, которые в свою очередь способствуют большей адгезии с металлоконструкциями и кладкой.

Для наиболее эффективной защиты конструкции на стальную обойму обычно устанавливают металлическую или полимерную сетку, по которой и осуществляется нанесение раствора, толщиной слоя 25-30 мм. При малом объеме работ раствор обычно наносится вручную при помощи штукатурного инструмента. А вот при больших объемах работ это выполняется механизированным путем при подачи материала растворонасосами. Чтобы получить высокопрочный защитный слой часто используют установку торкретирования и пневмобетонирования. Совместная работа конструкции и повышение ее несущей способности достигается из-за повышенной плотности защитного слоя и большого сцепления с элементами кладки. Путем установления арматурной сетки по периметру усиливаемой конструкции с закреплением ее фиксаторами к кирпичной кладке осуществляется устройство железобетонной рубашки. Данное крепление можно осуществить при помощи анкеров и дюбелей. Железобетонная обойма делается из мелкозернистой бетонной смеси класса не ниже В10 с продольной арматурой классов А240-А400 и поперечной - А240. Шаг поперечной арматуры должен быть не больше 15см. Толщина обоймы - 4-12 см. Технология производства работ существенно меняется в зависимости от толщины данной обоймы. Например, для обойм толщиной не больше 4 см обычно используют методы нанесения бетона торкретированием и пневмобетонированием. Заключительная отделка поверхности достигается устройством штукатурного верхнего слоя. А вот для обойм толщина которых не более 12 см по периметру усиливаемой конструкции устанавливают инвентарную опалубку. В ее щитах устанавливается инъекционная трубка, через которую мелкозернистая бетонная смесь под давлением 0,2-0,6 Мпа нагнетается в полости. Для повышения адгезионных свойств и для заполнения всего незаполненного пространства бетонные смеси пластифицируются с помощью введения суперпластификаторов в объеме 1-1,2% массы цемента. При помощи дополнительного воздействия высокочастотной вибрации и путем контакта вибратора с опалубкой рубашки происходит снижение вязкости смеси и увеличение ее проницаемости. Так же хороший эффект дает импульсивная подача смеси при кратковременном воздействии высокого давления, обеспечивающего более высокий градиент скорости и высокой проницаемости.

На рис. 4, показана технологическая схема производства работ с помощью инъецирования железобетонных обойм. Опалубка устанавливается на всю высоту конструкции с обеспечивает защитный слой арматурному заполнению. Нагнетание бетона происходит по ярусам (3-4 яруса). Процесс окончания подачи бетона фиксируется по контрольным отверстиям с обратной стороны от места нагнетания. Для ускоренного затвердения бетона используются системы термоактивных опалубок, которые греют провода и др. приемы повышения температур твердеющего бетона. Демонтаж опалубки осуществляется по ярусам при достижении бетоном распалубочной прочности. Режим твердения при t = 60 °С обеспечивает распалубочную прочность в течение от 8 до 12 часов прогрева.

Железобетонные обоймы могут выполняться в виде элементов несъемной опалубки. При этом наружные поверхности могут иметь мелкий или глубокий рельеф и гладкую поверхность. После установки несъемной опалубки и крепления ее элементов обеспечивается замоноличивание пространства между усиливаемой и ограждающей конструкцией.

Рис. 4. Усиление столбов с использованием опалубки-облицовки из архитектурного бетона

1 - усиливаемая конструкция; 

2 - армокаркас; 

3 - элементы облицовки; 

4 - бетон омоноличивания.

Самым эффективным несъемным опалубкам принято считать тонкостенные элементы (?1,5-2 см), которые изготовлены из дисперсно-армированного бетона. Для того чтобы вовлечь опалубки в работу она снабжается выступающим анкером, существенно повышающий сцепление с укладываемым бетоном.

Устройство растворных обойм имеет отличия от железобетонных: а) толщиной наносимого слоя б) составом. Как правило, для защиты арматурной сетки и обеспечения ее сцепления с кирпичной кладкой используют штукатурные цементно-песчаные растворы в них добавляют пластификаторы, повышающие физико-механические характеристики. Технология строительных работ практически не отличается от выполнения штукатурных работ.

Для обеспечения совместной работы элемента обоймы по длине, которая превышает толщину в 2 и более раз, нужна установка дополнительной поперечной связи через сечение кладки. Усиление кирпичных кладок производится с помощью метода инъецирования. Оно осуществляется при помощи нагнетания давления через уже ранее пробуренные шпуры полимерцементного или цементного раствора. В результате чего повышаем ее физико-механические характеристики и монолитность кладки.

Выдвинуты достаточно жесткие требования к инъекционным растворам. У них должно быть:

- малое водоотделение;

- низкая вязкость;

- высокое сцепление;

- достаточно прочностные характеристики.

Такой раствор нагнетают под давлением до 0,6 Мпа. Это и обеспечивает достаточно большую зону проникновения.

Параметры инъекции:

Расположение инъекторов;

Глубина;

Давление:

Состав ( он в каждом конкретном случае подбираются индивидуально с учетом трещиноватости кладки, состояния швов и других показателей).

Прочность кладки, которая усилена инъецированием, оценивается по СНиП II-22-81.Установление поправочных коэффициентов зависит от характера дефектов и вида инъецированного раствора: 

тк = 1,1 - наличие трещины от силовых воздействий и(или) при использовании полимерного и цементного растворов; 

тк = 1,0 - наличие одиночной трещины от неравномерной осадки и(или) при нарушении связей между совместно работающими стенами; 

тк = 1,3 - наличие трещин от силового воздействия при сцеплении полимерных растворов. Прочность раствороа должна быть в пределах 15-25МПа.

Усиление кирпичных перемычек достаточно распространенное явление. Это связано с уменьшением несущей способности распорной кладки, вследствие нарушений сцепления, выветривания швов и др. причинами.

Рис. 5 Здесь показаны конструктивные варианты усиления перемычек с использованием различного рода металлических накладок. Они устанавливаются путем пробивки штраб и отверстий в кирпичной кладке, а в дальнейшем омоноличиваются цементно-песчаным раствором по сетке.

Рис. 5. Примеры усиления перемычек кирпичных стен

а, б - с помощью подведения накладок из уголковой стали;

в, г - дополнительными металлическими перемычками из швеллера: 

1 - кирпичная кладка; 

2 - трещина; 

3 - накладка из уголов; 

4 - полосовая накладка; 

5 - анкерные болты; 

6 - накладка из швеллера.

Металлические разгрузочные пояса, сделанные из 2х швеллеров и объединенные болтовым соединением, используют для перераспределения усилий на железобетонные перемычки вследствие увеличений нагрузок на перекрытия.

Технология усиления кирпичных стен базируется на создании дополнительной железобетонной рубашки с 1 или 2 сторон стены (6). Технология производства работ включает в себя процессы: подготовка и очистка поверхности стен, сверление отверстий под анкеры, установка анкеров, крепление к анкерам арматурных стержней или сеток, омоноличивание. Обычно, при достаточно больших объемах работ используется механизированный метод нанесения цементно-песчаного раствора: пневмобетонированием или торкретированием, реже ручной способ. Далее для выравнивания поверхности наносится затирочный слой и выполняются последующие операции, которые связаны с отделкой поверхностей стен.

Рис. 6 Усиление кирпичных стен армированием

а - отдельные стержни арматуры; 

б - арматурные каркасы; 

в - арматурная сетка; 

г - железобетонные пилястры: 1 - усиливаемая стена; 2 - анкеры; 3 - арматура; 4 - штукатурный или торкрет-бетонный слой; 5 - металлические тяжи; 6 - арматурная сетка; 7 - армокаркас; 8 - бетон; 9 - опалубка.

Наиболее эффективный прием усиления кирпичных стен является устройство железобетонных одно- и двусторонних стоек в штрабах и пилястр.

Технология устройства двусторонних железобетонных стоек предусматривает образование штраб на глубину 5-6 см, крепление при помощи тяжей арматурного каркаса, высверливание сквозных отверстий по высоте стены, омоноличивание образовавшейся полости.

Для омоноличивания обычно используют цементно-песчаные растворы с пластифицирующими добавками. Высокий эффект можно достигнуть с помощью использования раствора и мелкозернистого бетона с предварительным домолом цемента, суперпластификатора и песка. Такие смеси кроме крепкого сцепления обладают так же свойством ускоренного затвердения и высокими физико-механическими характеристиками.

При возведении односторонних железобетонных пилястр требуется устройство вертикальных штраб, в полости которых устанавливают анкерные устройства. К последним осуществляется крепление арматурного каркаса. После его размещения производится установка опалубки. Она выполняется из отдельных фанерных щитов, объединенных хомутами и прикрепляемых к стене с помощью анкеров. Мелкозернистая бетонная смесь нагнетается с помощью насосов поярусно через отверстия в опалубке. Подобная технология применяется при двустороннем устройстве пилястр с той разницей, что процесс крепления щитов опалубки осуществляется с помощью болтов, перекрывающих толщину стены.

Заключение

Итак, мы выяснили что самое важное в строительстве - это усиление конструкций. Оно необходимо для того, чтобы увеличить срок эксплуатации здания или жилого дома, обеспечить безопасность населения, уменьшить затраты на реконструкцию, а так же дать уверенность жильцам в завтрашнем дне.

Усилив конструкцию, мы даем гарантию, что объект устойчив к внешним факторам и будет прочно стоять на земле, это в свою очередь обеспечит надежность при многолетней эксплуатации и даст уверенность владельцам этого здания, в том что различного рода мелкие аварии не повредят каркас строения. Из этого становится понятно, что усиление конструкций, разного рода сооружений, представляет сложнейшую цепочку взаимосвязанных действий совершенно различных специалистов, которая направлена на подбор оптимального сочетания методов усиления.

Многолетний опыт, накопленный в процессе работы, позволяет нам использовать различные варианты усиления конструкций, подбирая самый оптимальный способ для каждого объекта.

Список литературы

Байков В.Н. «Железобетонные конструкции» учебник для вузов 1991г.

Грановский А.В. «Сейсмостойкость стен, усиленных композитными».

Шилин А.А., Пшеничный В.А., Картузов Д.В. «Внешнее армирование железобетонных конструкций композиционными материалами» 2007.

Размещено на Allbest.ru

...