Технико-экономическое сравнение вариантов усиления железобетонных балок перекрытия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технико-экономическое сравнение вариантов усиления железобетонных балок перекрытия

Ю.А. Земляков, А.Ю. Кубасов

Донской государственный технический университет,

Ростов-на-Дону

Аннотация: В данной статье рассмотрены варианты усиления несущих строительных конструкций и произведены поверочные расчёты на несущую способность с учётом дополнительных нагрузок. Произведено технико-экономическое сравнение вариантов усиления по следующим показателям: масса элементов усиления; стоимость основных материалов, необходимых для усиления; трудоёмкость и стоимость изготовления; трудоёмкость и стоимость выполнения работ по усилению. Анализ вариантов усиления несущих строительных конструкций может помочь в выборе способа усиления несущей способности железобетонных изгибаемых элементов.

Ключевые слова: бетон, несущая способность, железобетон, конструкции, арматура, постоянная нагрузка, прочность, эксплуатационная надёжность, деформации, усиление.

конструкция несущий усиление

При строительстве и эксплуатации зданий и сооружений часто наблюдаются повреждения строительных конструкций, снижающие прочность, устойчивость, долговечность и эксплуатационную надёжность как всего сооружения в целом, так и отдельных его частей. Повреждения являются следствием различных дефектов и нарушений, допущенных при инженерно-геологических изысканиях на площадке строительства, проектировании сооружения, изготовлении строительных материалов и деталей, строительно-монтажных работах, эксплуатации, а также в экстремальных ситуациях (при пожаре, взрыве, наводнении).

Для обеспечения достаточной прочности, устойчивости зданий и сооружений, возможности их дальнейшей нормальной эксплуатации, а также при реконструкции, когда это связано с необходимостью увеличения нагрузок на существующие конструкции, необходимо усилить повреждённые конструкции (СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003).

Своевременное и правильное усиление строительных конструкций позволяет резко уменьшить затраты, продлить срок службы зданий и сооружений или предотвратить аварии и обрушения [1,4].

Конструкции усиления проектируют с использованием различных материалов: металла, железобетона, композитов, реже из каменной кладки, древесины и полимеррастворов [5,6,8].

Для правильного выбора способа усиления и восстановления конструкций зданий и сооружений необходимо установить причины, вызвавшие повреждения. Для этого необходимо произвести натурное визуальное или инструментальное обследование, тщательно уточнить действующие нагрузки и определить фактическую прочность материалов конструкций (кладки, бетона, арматуры и т. п.). С учётом полученных при обследовании данных выполняется поверочный расчёт фактической несущей способности конструкций, в котором учитывается влияние имеющихся повреждений (СП 13-102-2003. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений).

По результатам расчёта определяются степень повреждения конструкций и необходимость временного крепления или постоянного их усиления.

Существующие традиционные способы усиления железобетонных конструкций являются трудоёмкими. В отдельных случаях для выполнения усиления необходимо применять достаточно громоздкое оборудование и оснастку (установка лесов, кранового оборудования), а в некоторых случаях даже остановить эксплуатацию сооружения. С другой стороны, они могут быть достаточно простыми в выполнении, что не потребует высоко квалифицированных рабочих, в отдельных случаях есть возможность значительно повысить первоначальную несущую способность усиливаемых конструкций [2,3,7,10].

Отдельно можно выделить способ усиления железобетонных конструкций с применение композитных материалов [12].

Он обладает рядом преимуществ, таких как значительное усиление конструкции, малый вес материала и возможность быстрого монтажа. В свою очередь главным недостатком данного способа является высокая стоимость материала [9,11].

Способы усиления и восстановления поврежденных конструкций зданий и сооружений в значительной степени могут отличаться по технико-экономическим показателям и удобству выполнения, вследствие чего их правильный выбор в каждом конкретном случае является чрезвычайно важным.

Вариант 1. Усиление ригеля междуэтажного перекрытия с помощью предварительно-напряженных затяжек

Расчет произведен по результатам обследования технического состояния строительных конструкций здания.

В качестве предварительно-напряженных затяжек принимаем стержневую арматуру 2Ш18А500.

Рис. 1. - Сечение элемента до и после усиления

Приводим фактическую площадь сечения к площади рабочей арматуры балки класса А400.

(1)

где: RS - расчетное сопротивление арматуры класса A500;

RS(A400) - расчетное сопротивление арматуры класса A400;

Az - площадь арматуры, применяемой в качестве затяжек.

2. Вычисление приведенной высоты сечения

(2)

где AS - площадь продольной арматуры ригеля;

Azn - приведенная площадь продольной арматуры с учетом затяжек;

h0 - рабочая высота сечения;

hoz - приведенная высота сечения с учетом введения в конструкцию ригеля затяжек;

гb2 - коэффициент, учитывающий длительность действия нагрузки;

b - ширина расчетного сечения.

3. Определение высоты сжатой зоны бетона, усиленная затяжками

(3)

где RS - расчетное сопротивление продольной арматуры растяжению;

AS - площадь продольной арматуры в ригеле;

Azn - приведенная площадь продольной арматуры с учетом затяжек;

Rb - расчетное сопротивление бетона на сжатие;

гb2 - коэффициент, учитывающий длительность действия нагрузки;

b - ширина расчетного сечения.

(4)

4. Проверка ограничения, которое накладывается на высоту сжатой зоны изгибающих элементов

(5)

щ - характеристика сжатой зоны бетона;

5. Определение относительной высоты сжатой зоны:

(6)

где ?SR - напряжение в арматуре (МПа), принимаемое для данного класса, в нашем случае ?SR = RS;

?SC,U - предельное напряжение в арматуре сжатой зоны.

т.к., о = 0,388 <оR = 0,626, условие выполняется.

6. Определение момента способного выдержать сечением

(7)

значит, действующая нагрузка будет воспринята конструкцией и положение затяжек оставляем без изменений

7. Определение усилия необходимого для предварительного натяжения затяжек

Данное усилие определяется исходя из следующего отношения:

(8)

Определяем необходимую величину предварительного напряжения затяжек:

Усилие необходимое для натяжения затяжек будет равно:

?n= 0,492?Rsn =0,492?590 =290,28 МПа,

где Rsn =590 МПа - нормативное сопротивление арматуры растяжению.

Вариант 2. Запроектировано усиление из углепластика компании SIKA AG (Switzerland) со следующими характеристиками:

ѕ модуль упругости Еf = 170000 МПа;

ѕ прочность Rf = 3100 МПа;

ѕ ширина b = 350 мм;

ѕ толщина tf = 1,2 мм;

ѕ количество слоев, n = 2;

ѕ растянутая арматура А400, площадь сечения As = 452 мм2 (4Ш12);

ѕ сжатая арматура А240, площадь сечения Aґs = 236 мм2 (3Ш10).

Для балки при расчете были установлены объем материалов, стоимость углепластика и арматуры:

ѕ А400(Ш 12) вес арматуры равен 33,4 кг. Стоимость 816 рублей.

ѕ А240(Ш 10) вес арматуры равен 1,5 кг. Стоимость 486 рублей.

ѕ Углепластик SikaCardoDur512 - S = 11,33 м2, стоимость 27 873 руб.

Вариант усиления балки с устройством дополнительной центральной опоры с усилением напряжёнными стержнями целесообразен для зданий, где есть необходимость разделения общей площади на отдельные помещения.

Вариант усиления путем устройства дополнительных затяжек для растянутых элементов целесообразен в случаях, когда не требуется значительное усиление, существует необходимость быстрого ввода конструкции в эксплуатацию и когда необходимо сохранить полезный объём здания.

Технико-экономическое сравнение вариантов усиления

Сравнение вариантов усиления производится по следующим показателям: масса элементов усиления; стоимость основных материалов, необходимых для усиления; трудоёмкость и стоимость изготовления; трудоёмкость и стоимость выполнения работ по усилению.

Технико-экономические показатели представлены в таблице № 1.

Анализируя показатели, представленные в таблице, можно сделать следующие выводы: в случае усиления с использованием стекловолокна затраты получатся сопоставимы с другими способами, это обусловлено тем, что стекловолокно самый дешевый композитный материал, но, если использовать в качестве усиления углеволокно, затраты возрастут более чем в 2 раза, при таком же объёме материалов. Также можно отметить малый вес данного способа и малые затраты на оплату работ по усилению.

Таблица № 1

Технико-экономические показатели способов усиления

Данный метод является самым продолжительным, т.к. требует больше времени на подготовку бетона перед усилением.

Усиление затяжками является самым быстрым по времени выполнения монтажа, т.к. основная часть работ, связанная с изготовлением металлоконструкций, выполняется за пределами здания и не требует применения техники.

Литература

1. Клюев С.В., Гурьянов Ю.В. Внешнее армирование изгибаемых фибробетонных изделий углеволокном // Инженерно-строительный журнал. - 2013. - №1 (36). - С. 21 - 26.

2. Кубасов А.Ю., Маилян Д.Р. К вопросу закрытия технологических трещин в железобетонных фермах с комбинированным преднапряжением арматуры // Научное обозрение. - 2015. - №10. - С. 170 - 172.

3. Маилян Д.Р., Кубасов А.Ю. К вопросу обеспечения устойчивости арматурных стержней при их предварительном сжатии // Научное обозрение. - 2015. - №10. - С. 173 - 176.

4. Польской П.П., Маилян Д.Р. Композитные материалы - как основа эффективности в строительстве и реконструкции зданий и сооружений // Инженерный вестник Дона, 2012, №4 (часть 2), URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1307.

5. Польской П.П., Хишмах Мерват, Михуб Ахмад. К вопросу о деформативности балок из тяжелого бетона, армированных стеклопластиковой и комбинированной арматурой // Инженерный вестник Дона, 2012, №4 (часть 2), URL: ivdon.ru/ magazine/archive/n4p2y2012/1308.

6. Польской П.П., Маилян Д.Р., Мерват Хишмах, Кургин К.В. О деформативности изгибаемых элементов из тяжелого бетона при двухрядном расположении углепластиковой и комбинированной арматуры // Инженерный вестник Дона, 2013, №4, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2094.

7. Польской П.П., Георгиев С.В. Вопросы исследования сжатых железобетонных элементов, усиленных различными видами композитных материалов // Инженерный вестник Дона, 2013, №4, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2134.

8. Маилян Д.Р., Польской П.П. Прочность и деформативность вновь усиленных композитными материалами балок, при различных варьируемых факторах // Инженерный вестник Дона, 2013, №2, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1676.

9. Маилян Д.Р., Польской П.П., Георгиев С.В. Методики усиления углепластиком и испытания коротких и гибких стоек // Научное обозрение, 2014, №10, ч.2. С. 415-418.

10. Mailyan, D., Kubasov, A., Mailyan, L. Ecological-Economic and Technical Advantages of Reinforced Concrete Girders with Combined Reinforcement/MATEC Web of Conferences. 2016. // URL: matec-conferences.org/articles/matecconf/abs/2016/36/matecconf_tpacee2016_04019/matecconf_tpacee2016_04019.html.

11. Mailyan, D., Mailyan, L. Ecologically Safe and Techno Economically Efficient Reinforced Concrete Constructions of Equal Resistance // MATEC Web of Conferences. 2016. // URL: matec-conferences.org/articles/matecconf/abs/2016/36/matecconf_tpacee2016_04020/matecconf_tpacee2016_04020.html.

12. Polskoy, P.P., Mailyan, D.R., Dedukh, D.A., Georgiev, S.V. Design of reinforced concrete beams in a case of a change of cross section of composite strengthening reinforcement // Global Journal of Pure and Applied Mathematics. 2016. V. 12. № 2. pp. 1767-1786.

References

1. Klyuev S.V., Guryanov YU.V. Inzhenerno-stroitelnyj zhurnal. 2013. №1 (36), pp. 21-26.

2. Kubasov A.YU., Mailyan D.R. Nauchnoye obozreniye. 2015. №10, pp. 170-172.

3. Mailyan D.R., Kubasov A.YU. Nauchnoye obozreniye. 2015. №10, pp. 173 - 176.

4. Pol'skoy P.P., Mailyan D.R. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №4 (chast' 2). URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1307.

5. Pol'skoy P.P., Khishmakh Mervat, Mikhub Akhmad. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2012. №4. URL: ivdon.ru/ magazine/archive/n4p2y2012/1308.

6. Pol'skoy P.P., Mailyan D.R., Mervat Khishmakh, Kurgin K.V. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2094.

7. Pol'skoy P.P., Georgiyev S.V. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2134.

8. Mailyan D.R., Pol'skoy P.P. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1676.

9. Mailyan D.R., Pol'skoy P.P., Georgiyev S.V. Nauchnoye obozreniye, 2014, №10, pp. 415-418.

10. Mailyan, D., Kubasov, A., Mailyan, L. MATEC Web of Conferences. 2016. URL: matec-conferences.org/articles/matecconf/abs/2016/36/matecconf_tpacee 2016_04019/matecconf_tpacee2016_04019.html.

11. Mailyan, D., Mailyan, L. MATEC Web of Conferences. 2016. URL: matec-conferences.org/articles/matecconf/abs/2016/36/matecconf_tpacee2016_04020/ matecconf_tpacee2016_04020.html.

12. Polskoy, P.P., Mailyan, D.R., Dedukh, D.A., Georgiev, S.V. Global Journal of Pure and Applied Mathematics. 2016. V. 12. № 2, pp. 1767-1786.

Размещено на Allbest.ru