Переваги та недоліки підсилення будівельних конструкцій зовнішнім армуванням

Молодід Олександр Станіславович

кандидат технічних наук, професор кафедри будівельних технологій

Плохута Руслана Олександрівна асистент кафедри будівельних технологій Мусіяка Іван Вікторович

магістрант, спеціальність будівництво та цивільна інженерія Київський національний університет будівництва і архітектури ТЕХНІЧНІ НАУКИ (Будівництво)

Переваги та недоліки підсилення будівельних конструкцій зовнішнім армуванням

У сучасних реаліях будівельної галузі часто виникає необхідність підсилення несучих будівельних конструкцій [1, 2]. Така необхідність може бути обумовлена наступними чинниками: зміна функціонального призначення будівлі в цілому або її частин; заміна технологічного обладнання промислових будівель на важче чи на таке, що створює більше динамічне навантаження на несучі конструкції; зміна конструктивної схеми уже існуючої будівлі; втрата несучої здатності конструкцій у процесі експлуатації та інше.

До традиційних методів підсилення конструкцій відносяться [1, 2]: зміна конструктивної схеми будівлі з встановленням додаткових опор, затяжок та підкосів; омонолічування конструкцій; встановлення металевих обойм та металевого зовнішнього армування і ін. Зазначені методи підсилення довели свою ефективність протягом десятиліть їх застосування у будівництві, але всі вони мають високу трудомісткість та значно збільшують навантаження на конструкції та будівлю вцілому. У сучасному будівництві актуальним методом підсилення як вертикальних так і горизонтальних конструкцій є підсилення зовнішнім армуванням [3], а саме вуглецевим волокном та пластинами (ламелями).

Для вертикальних конструкцій (колон, пілонів, стін), зазвичай, використовують вуглецеві волокна (тканину), яку приклеюють за допомогою полімерних смол на підсилюваний елемент, утворюючи кільця (бандажі). Таким чином утворюється композитна обойма, яка перешкоджає боковому випинанню елемента та збільшує допустиме навантаження на вертикальні несучі конструкції. Таке підсилення застосовується у тих випадках, коли перевірочний розрахунок показує, що руйнування елемента відбувається через втрату його стійкості. Горизонтальні конструкції (плити, ригелі, балки), зазвичай, підсилюють карбоновими пластинами, волокнами, або їх комбінацією (у меншій кількості), які приклеюють до несучих конструкцій у розтягнутій зоні за допомогою епоксидних клеїв. Оскільки міцність на розтяг вуглецевих ламелей може сягати 2500 МПа [4], то навіть вузька смуга, що приклеєна на розтягнутій грані, дозволяє суттєво підвищити несучу здатність конструкції. Таке підсилення застосовують у випадках, коли, за перевірочним розрахунком, руйнування елемента відбувається через досягнення робочої арматури межі текучості.

Метод підсилення конструкцій зовнішнім армуванням можна застосовувати для підсилення таких залізобетонних та кам’яних конструкцій як: балки (прямокутні, таврові, двотаврові), плити (гладкі, ребристі, склепінчасті), колони, пілони, стіни. Також, розглядуваним методом можна виконувати підсилення вузлів сполучення елементів, для збільшення їх жорсткості (як приклад, система «колона-балка-балка»), поясного зв’язування кам’яних стін будівлі при нерівномірних деформаціях основ і фундаментів, а також, у разі необхідності збільшення опірності будівельних конструкцій динамічним впливам, таким як сейсмічні. Приклади виконання підсилення будівельних конструкцій наведено на рис.1.

Рис. 1. Підсилення конструкцій зовнішнім армуванням: а – плити перекриття ламелями; б – ребристої плити; в – плити перекриття волокном

Цей спосіб підсилення, як і будь-який інший, потребує розрахунку основних елементів підсилення та матеріалів. До основних елементів підсилення належать вуглецеві волокна (тканини) та ламелі. Вони різняться густиною (щільністю), модулем пружності та геометричними розмірами, які прямо чи опосередковано впливають на навантаження, яке може сприйняти підсилення. До матеріалів належать ґрунтівки, клеї, просочувальні композиції. Матеріали для виконання підсилення підбирають відповідно до типу конструкції, що потребує підсилення, умов виконання робіт, величини навантажень, які будуть сприйняті підсиленням, та подальших умов експлуатації підсиленої конструкції.

Зазначений спосіб підсилення має низьку трудомісткість та тривалість виконання робіт, не потребує спеціалізованого інструменту чи інвентарю. Окрім цього,      незначна      власна      вага      (для      волокна      до      600       г/м², для ламелей до 340 г/м² [5]) і мала товщина (для волокна до 0.34 мм, для ламелей до 1.4 мм [5]) дозволяють не змінювати архітектурного замислу як інтер’єру, так і екстер’єру будівлі, що неможливо при використанні традиційних технологій підсилення будівельних конструкцій. Також, попередніми науковими дослідженнями було виявлено, що за сукупними техніко-економічними показниками (вартість, трудомісткість та тривалість виконання робіт), технологія зовнішнього армування має ряд переваг [6]. Саме тому даний спосіб підсилення широко розповсюджений у економічно розвинених країнах світу та набирає популярності, зокрема і в Україні.

Суттєвим недоліком зазначеного методу підсилення є значно нижча термо- та вогнестійкість полімерних композицій, що використовують у якості клею при зовнішньому підсиленні, від показників елементів підсилення (до 300 °С за наявності кисню та 1600–2000 °С за відсутності кисню). Так, клеї можуть витримувати підвищення температури до 130–150 °С, після цього вони починають розм’якшуватися і, відповідно, зовнішнє армування конструкції втрачає свою несучу здатність, що в свою чергу, призведе до руйнування підсиленої конструкції.

На даний момент, наукове обґрунтування методів термо- та вогнезахисту зовнішнього композитного армування відсутнє. У деяких випадках, для захисту зовнішнього армування використовують вогнестійкі гіпсокартонні системи [7]. Однак, у такого методу є значні недоліки: значне здорожчання робіт з підсилення конструкцій; збільшена трудомісткість та тривалість влаштування гіпсокартонної системи та зменшення ефективного об’єму приміщення, у якому виконується підсилення. Усе це є небажаним, тому необхідно виконувати пошуки існуючих технологій або розробити нові, що будуть позбавлені вищенаведених недоліків.

Перспективним методом термо- та вогнезахисту зовнішнього карбонового армування може бути нанесення різних захисних покриттів, таких як вогнезахисні фарби та штукатурні розчини. Проте необхідно виконати комплекс наукових досліджень, за результатами яких, можна буде достеменно встановити ефективність захисних властивостей таких покриттів.

Список використаних джерел:

2. Леонович С. Н. [и др.]. Технология реконструкции зданий и сооружений : учебно-методическое пособие в 2 ч. Ч. 1 /под ред. С. Н. Леоновича. Минск : БНТУ, 2018. 279 с.
3. Клименко Є. В. Технічна експлуатація та реконструкція будівель і споруд : навч. пос. Київ: Центр навчальної літератури, 280 с.
4. Бадьин, Г. М., Сычев С. А. Современные технологии строительства и реконструкции зданий. СПб.: БХВ-Петербург, 288 с.
5. Електронний ресурс URL: https://mapei.com/ua/uk/materialy-i- tekhnichni-rishennia/spysok-materialiv/detalno-pro-material/carboplate
6. Електронний ресурс URL: https://mapei.com/ua/uk/materialy-i- tekhnichni-rishennia/spysok-materialiv/detalno-pro-material/mapewrap-c-bi-ax
7. Молодід О. С., Максим’юк І., Григорова А. Дослідження техніко- економічних показників підсилення залізобетонних балок за різними технологіями. Шляхи підвищення ефективності будівництва в в умовах формування ринкових відносин. Київ, С. 144-153.
8. Молодид А. С. Экспериментальные исследования технологии усиления железобетонных колонн углеродными волокнами // Наука и Техника. Международный научно-технический журнал. Минск, Том 19. № 5. С. 395–399
9. Демчина Б. Г., Божинський О. В., Коляков М. Й., Поляков Г. П. Спосіб захисту будівлі від пожежі. Патент України № 63981 МПК E04B 1/94 бюл. № 2, опуб. 04.2004 р.