Руководство по усилению железобетонных конструкций композиционными материалами. Изложены основы проектирования и технологии внешнего армирования железобетонных конструкций современными композиционными материалами на основе углеродных, арамидных и стекловолокон. Даны основные положения по проектированию усиления изгибаемых железобетонным конструкций по первой и второй группам предельных состояний. Приведена технология усиления железобетонных конструкций композиционными материалами нового поколения. Рассмотрены вопросы качества выполнения работ, требования к исходным материалам и условиям проведения работ, требования к исходным материалам и условиям проведения работ по усилению, а также требования по обязательному мониторингу усиливаемой конструкции. Проанализирован опыт работы ЗАО Триада-Холдинг по усилению железобетонных конструкций композиционными материалами. Предназначено для инженерно-технических работников проектных и конструкторских организаций, занимающихся вопросами ремонта и реконструкции различных строительных конструкций.

Предисловие

Глава 1. Основные положения по ремонту, восстановлению и усилению железобетонных конструкций
1.1. Ремонт, восстановление и усиление конструкций инженерных сооружений
1.2. Композиционные материалы и их свойства

Глава 2. Проектирование ремонта и усиления железобетонных конструкций
2.1. Основные положения проектирования
2.2. Рекомендуемая степень усиления конструкций
2.3. Нормативные и расчетные характеристики композиционных материалов
2.4. Разрушение конструкций, усиленных внешним армированием

Глава 3. Проектирование усиления изгибаемых железобетонных конструкций
3.1. Общие положения
3.2. Прочность усиленной конструкции по нормальным сечениям
3.3. Прочность усиленной конструкции по наклонным сечениям
3.4. Основные положения расчета усиленных конструкций по образованию и раскрытию трещин
3.5. Ограничения на напряжения, действующие в усиленной конструкции
3.6. Анкеровка приклеенной к бетону полосы композиционного материала
3.7. Определение места обрыва полосы композиционного материала в пролете конструкции

Глава 4. Проектирование усиления колонн обоймами из композиционных материалов
4.1. Основные положения усиления конструкций обоймами из композиционных материалов
4.2. Усиление центрально-сжатых колонн
4.3. Усиление внецентренно-сжатых колонн

Глава 5. Особые случаи использования композиционных материалов для усиления железобетонных конструкций
5.1. Применение преднапряженных композиционных материалов
5.2. Установка композиционных материалов в пазах
5.3. Применение строительных растворов при установке композиционных материалов
5.4. Усиление строительных конструкций в сейсмических опасных районах

Глава 6. Технология усиления конструкций композиционными материалами
6.1. Технические и организационные требования по обеспечению качества системы усиления
6.2. Установка композиционных материалов на поверхность усиливаемой конструкции и контроль качества производства работ
6.3. Опыт ЗАО Триада-Холдинг по усилению строительных конструкций композиционными материалами

Основные обозначения
Список литературы 

Предисловие

В процессе эксплуатации любые инженерные сооружения испытывают в большей или меньшей степени негативное воздействие внешней окружающей среды. Через определенный промежуток времени это воздействие приводит к снижению эксплуатационных качеств как всего сооружения в целом, так и отдельных составляющих его элементов. В зависимости от важности конкретной конструкции для функционирования всего сооружения и степени ее повреждения это может привести или к ремонту сооружения, или к замене его отдельного элемента. Ремонт инженерного сооружения является такой же необходимой составляющей его жизненного цикла, как и собственно новое строительство. Повреждения железобетонных конструкций, вызывающие необходимость в проведении ремонтных работ, заключаются, прежде всего, в карбонизации бетона, заражении его хлоридами, коррозии арматуры, что приводит к изменению физико-механических свойств железобетона, изменению геометрических размеров конструкции, появлению раковин, трещин, отслоению защитного слоя. Все это приводит в свою очередь к уменьшению несущей способности элементов сооружения и, как следствие, к снижению их надежности и способности обеспечивать безопасность эксплуатации сооружения.

Помимо восстановления первоначальной несущей способности железобетонных элементов во время ремонта, реконструкции или по условиям эксплуатации зачастую возникает необходимость в увеличении их несущей способности. Чаще всего увеличение нагрузки связано с дополнительной надстройкой уже существующих зданий и сооружений, изменением условий их эксплуатации, размеров и конструктивной схемы, установкой нового технологического оборудования или повышением пропускной способности мостовых конструкций.

Наряду с увеличением объема строительства новых зданий и сооружений происходит и увеличение объема ремонтных работ. В настоящее время в индустриально развитых странах инвестиции в новое строительство и ремонт уже существующих зданий и сооружений практически сравнялись. Возрастающая потребность в ремонтных работах, увеличение их трудоемкости и стоимости приводят к необходимости разработки новых технологий ремонта и применения новых материалов.

Долгие годы основными способами усиления строительных конструкций являлись увеличение их сечения за счет присоединения к ним дополнительных элементов, разгрузка конструкций, постановка дублирующих элементов, изменение расчетных и геометрических схем конструкций, введение затяжек, шпренгелей, использование предварительно напряженных наружных прядей и другие.

В середине XX века широкое распространение получил разработанный в Германии и Швейцарии способ усиления строительных конструкций путем приклеивания стальных пластин в растянутой зоне усиливаемых элементов. Способ оказался весьма эффективным для увеличения несущей способности железобетонных конструкций, особенно мостовых сооружений. Для усиления используются тонкие пластины из низкоуглеродистой стали. Помимо увеличения сопротивления железобетонных плит и балок действию изгибающего момента пластины увеличивают и жесткость конструкции, что приводит к уменьшению прогибов. Наряду с достоинствами способ усиления стальными пластинами не лишен и существенных недостатков: внешнее расположение стальных пластин еще больше увеличивает риск их повреждения в результате коррозии; большой собственный вес пластин приводит к нарушению сцепления между ними и бетоном и, как следствие, к отслоению пластин от бетона; значительная трудоемкость и технологическая сложность монтажа усиливающих элементов; необходимость применения дополнительного громоздкого оборудования; практическая невозможность усиления непрямых поверхностей; ухудшение безопасности выполнения работ но усилению; большая продолжительность производства работ по усилению исключает на длительный срок эксплуатацию объекта, в результате чего собственник несет финансовые убытки.

Вместе с тем параллельно в течение многих десятилетий в аэрокосмической и авиационной промышленности применялись композиционные материалы, армированные углеродным, арамидным, полиэфирным и стекловолокнами. Их несомненными достоинствами являются высокие прочность па растяжение и модуль упругости, малый вес, технологичность, невосприимчивость к агрессивным внешним факторам, способность повторять практически любые формы конструкции, выносливость и другие факторы.

В строительстве они первоначально рассматривались как альтернатива применяемым стальным пластинам. Одни из первых экспериментальных исследований но использованию композиционных материалов для восстановления изгибаемых железобетонных конструкций были проведены в Германии в 1978 году. Усиление колонн обоймами из композиционных материалов впервые было осуществлено в Японии в 80-х годах XX века. Основными преимуществами композиционных материалов но сравнению со стальными пластинами являются присущее им высокое значение отношения прочности на растяжение к собственному весу (выше, чем у стали, более чем в 10 раз) и высокая сопротивляемость химическим воздействиям и коррозии, легкость транспортировки, возможность усиления поверхностей с переменным радиусом кривизны, возможность эксплуатации сооружения во время проведения работ по ремонту и усилению, что позволяет избежать значительных финансовых потерь.

За последнее десятилетие число сооружений, отремонтированных и усиленных с помощью композиционных материалов, увеличилось в сотни раз. Особенно широко они стали применяться для усиления инженерных конструкций различного назначения в Японии после землетрясения 1995 года в Кобе Пожалуй, единственным существенным сдерживающим фактором их более широкого использования в гражданском и промышленном строительстве являлась относительно высокая стоимость самого материала, хотя в настоящее время этот фактор можно считать больше психологическим Проигрыш в стоимости материала полностью окупается снижением стоимости и трудоемкости выполнения работ по усилению отсутствием необходимости покупки дорогостоящего монтажного оборудования, сокращением сроков ремонта и возможностью эксплуатации сооружения во время выполнения ремонтных работ, увеличением межремонтного периода для восстановленной или усиленной конструкции.

Накопленный мировой и отечественный опыт применения композиционных материалов для усиления строительных конструкций является положительным то есть во всех случаях усиленные конструкции находятся в эксплуатационном состоянии, и отказа внешней арматуры из композиционных материалов не наблюдается. Эго вызывает быстрый рост применения композиционных материалов для ремонта и усиления строительных конструкций различных инженерных сооружений - промышленных и гражданских зданий, мостовых конструкций, башен, труб, свайных опор морских причалов, обделок тоннелей и других подземных сооружений, памятников архитектуры

На современном этапе развития науки и техники ведущей концепцией повышения надежности строительных конструкций является системный подход охватывающий весь жизненный цикл любого инженерного сооружения - проектирование, строительство» эксплуатация, включая мониторинг его текущего состояния, проведение диагностических исследований перед усилением (ремонтом), выполнение проектных работ по ремонту собственно технологические операции но ремонту и усилению с последующим контролем качества выполненных работ.

В последние годы проблеме обеспечения надежности строительных конструкций на всех стадиях их возведения и эксплуатации, особенно в случае их ремонта и усиления, уделяется значительное внимание как российскими, так и зарубежными исследователями. Вместе с тем в отечественной научно-технической литературе до настоящего времени отмечается лишь незначительное количество обобщающих публикаций но ремонту, восстановлению и усилению железобетонных конструкций композиционными материалами нового поколения, В данной книге авторы изложили свою точку зрения, основанную как на обширной собственной практике ремонта и усиления железобетонных конструкций композиционными материалами, так и на анализе зарубежного опыта проектирования и технологии усиления различных инженерных сооружений.

Авторы выражают глубокую признательность докт. техн. наук, главному научному сотруднику НИИЖБ Т.А. Мухамедиеву и докт. техн. наук, заведующему кафедрой «Строительные материалы» МГСУ В.В. Козлову за ценные замечания при рецензировании.