Усиление монолитных большепролетных железобетонных покрытий с использованием предварительно напряженной канатной арматуры

Введение

Усиление железобетонных элементов перекрытия и покрытия выполняют с целью увеличения их несущей способности и жесткости, а также в связи с повреждениями, полученными элементами при возведении конструкций, эксплуатации и пожаре и т.п. Решение о технической возможности и экономической целесообразности усиления железобетонных конструкции должно приниматься в каждом конкретном случае в зависимости от их состояния и эксплуатационных требований.

Усиления железобетонных покрытий можно выполнять известными традиционными методами: наращивание конструкции (включающий приварку дополнительной арматуры с помощью соединительного элемента к существующей вскрытой рабочей арматуре нижней грани в пролете, и верхней грани на опоре в зонах изгибающих моментов конструкции), применения стальных обойм или затяжек [3, 4, 5], использование композиционных материалов - лента из углеродного волокна, закрепляемая с помощью приклеивания на основе эпоксидных составов на поверхность конструкции [1, 2, 6] и т.д.

Недостаток традиционных методов усиления заключается в том, что удаляется защитный слой бетона, производится вскрытие участка рабочей арматуры и закрепление соединительного элемента с рабочей арматурой осуществляется с помощью сварки. Далее арматура усиления также закрепляется с соединительным элементом с помощью сварки. Сварной способ закрепления с рабочей арматурой, находящейся в напряженном состоянии не рекомендуется. Усилия, возникающие в арматуре усиления, передаются конструкции через рабочую арматуру находящейся уже в напряженном состоянии. При этом эти способы усиления применяются при сравнительно малых пролетах конструкций, где в основном действуют небольшие внешние нагрузки. При больших пролетах применение вышеупомянутых методов усиления конструкций приводит к перерасходу и в дальнейшем удорожанию затрат на использованные материалов и строительно-монтажные работы.

При способе усиления композиционными материалами, клеящие эпоксидные составы не устойчивы к температурным воздействиям (коэффициент размягчения начинается от 40-60°С), а сама конструкция усиления включается в работу только после увеличения эксплуатационных нагрузок при увеличении существующих прогибов. Кроме этого, при относительно малых прочностях бетона (В15 и ниже) может произойти, отрыв защитного слоя бетона конструкций в местах приклейки углеродистого волокна, что тоже является недостатком данного метода усиления.

Методы и материалы

В данной статье рассмотрены усиления монолитных большепролетных железобетонных покрытий с применением предварительно напряженной канатной арматуры.

Усиление монолитных железобетонных перекрытий и покрытий с использованием предварительно напряженной канатной арматуры позволяет значительно уменьшить вес применяемых конструкций и затраты на строительно-монтажные работы по данному вопросу.

В 2014г. компания ГУП «МосжилНИИпроект» обратилась в АО «КТБ ЖБ» и НИИЖБ им. Гвоздева для обследования несущих конструкции монолитного большепролетного покрытия спортивного зала школы №1414, расположенного по адресу: г. Москва, ул. Советской Армии, д.9.

Целью проведения обследования являлось определение фактического технического состояния несущих конструкций покрытия здания и разработка рекомендации для дальнейшей нормальной эксплуатации.

Здание спортивного зала прямоугольное размерами 32,0х18м. Высота помещения - 9,8м.

Само монолитное железобетонное покрытие здания состоит из плит толщиной 250мм и четырех балок с поперечным сечением 400х1200мм.

Инструментальное обследование монолитного покрытия показало, что для балок фактическое значение класса бетона по прочности на сжатие В20, меньше проектного значения класса бетона по прочности на сжатие В25. Фактическое значение ширины раскрытия нормальных трещин балок 0,3..5,0мм, что больше нормативного значения 0,3 мм, допустимого по [СП63.13330.2012. Свод правил. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003. М,2017г. 175с.]. Прогибы балок (больше 7,2см) тоже превышают допустимых значений по [СП20.13330.2012. Свод правил. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*. М., 2012г. 146с.].

Поверочные расчеты балок показали, что коэффициент использования поперечного сечения по прочности больше «1» и составил 1,4.

На основе технического заключения, выданного АО «КТБ ЖБ», и в соответствии с ГОСТ по обследованию [ГОСТ 31937.2017. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния. М., 2017г. 60с.] техническое состояние балок покрытия принято как авариное. При этом были рекомендованы несколько методов по усилению железобетонного покрытия с оценкой технико-экономических показателей. Заказчиком был выбран более экономичный вариант усиления с применением предварительно напряженной арматуры с натяжением на бетон.

На основании технического заключения по обследованию в АО «СТЭФС» совместно с АО «КТБ ЖБ» был разработан проект усиления железобетонных балок.

Расчет канатной арматуры производился по методике [7] разработанной НИИЖБ им. А.А. Гвоздева.

На основании проекта усиления балок были произведены строительно-монтажные работы по усилению балок.

План монолитного покрытия и разрезы показаны соответственно на рис. 1 и 2.

Рис. 1. План монолитного покрытия спортивного зала.

Рис. 2. Разрезы монолитного покрытия спортивного зала: а) Разрез 1-1; б) Разрез 2-2.

Усиление несущих пролетных конструкций балок покрытия производился методом предварительного напряжения с натяжением канатной арматуры на бетон.

Напрягаемая арматура принята из канатов К7Ø15,2 [ГОСТ 53772-2010. Канаты стальные арматурные семипроволочные стабилизированные. Технические условия. - М.: Стандартинформ, 2010. 16с.], и располагается по наружным боковым продольным ребрам. На торцах балки канаты закрепляются в упорах закладных деталей (рис. 3), в пролете опускаются и упираются на

Рис. 3. Конструкция устройства усиления опорного узла железобетонной балки покрытия: а) Узел-1; б) вид А. 1-канатная арматура, 2-ЗД-1.

закладные детали, расположенные в нижнем поясе балки (рис. 4). При натяжении

Рис. 4. Конструкция устройства усиления пролетного узла железобетонной балки покрытия: а) Узел-2; б) вид А. 1-канатная арматура, 2-ЗД-1, 3-анкер-шпилка.

При анкеровке канатной арматуры происходит предварительное напряжение балки, и одновременно появляются усилия отпора от закладных деталей, закрепленных на нижнем поясе, направленные вверх.

Расчетное усилие натяжения канатной арматуры 16000кгс.

Напрягаемая канатная арматура без сцепления с бетоном фиксируется в натянутом состоянии цанговыми зажимами (полуавтоматического типа) на закладных деталях, которые упираются на торцах пролетных несущих балок покрытия.

Все металлические элементы усиления балок покрывались противопожарным покрытием из Вермикулита (фото-1).

Фото 1. Покрытие противопожарным составом из Вермикулита.

Результаты

После натяжения канатной арматуры прогибы балок уменьшились примерно на 18-21 мм, а несущая способность балок увеличилась на 60%.

На сегодняшний день данная технология натяжения канатной арматуры на бетон успешно была применена при строительстве, реконструкции и усиления на объектах Российской Федерации (таблица 1).

Таблица 1 Опыт применения технологии натяжения канатной арматуры на объектах Российской Федерации.

Примечание:
* - по сравнению с перекрытиями из ненапряженной арматуры.

Кроме этого, по указанной тематике усиления были разработаны 2 патента [10, 11]

Устройство работ по демонтажу и возведения нового перекрытия обошлось бы примерно в 3 млн. 625 тыс. руб., а все затраты по усилению покрытия составили сумму 1 млн. 950 тыс. руб.

Таким образом, применение предварительно напряженной канатной арматуры в качестве усиления монолитного покрытия позволило примерно на 37% снизить финансовые затраты.

Выводы

Применение предварительно напряженной канатной арматуры в качестве усиления железобетонных перекрытий и покрытий позволяет упростить изготовление элементов усиления, сократить время монтажных работ, при этом не возникает необходимость производства подготовительных работ по вскрытиям на усиливаемых конструкциях или подготовки (сглаживание) поверхностей конструкций на участках усиления, а элементы усиления закрепленные на конструкциях, уже в процессе монтажа воспринимают нагрузки, тем самим предварительно усиливая и увеличивая их несущую способность как от изгибающих моментов, так и от перерезывающих усилий (продавливания) на опорах, что является предметом новизны.

Литература

1. Д.Г. Неволин, Д.Н. Смердов, М.Н. Смердов. Усиление железобетонных конструкций зданий и сооружений различного назначения полимерными композиционными материалами: монография. Екатеринбург, 2017 -151 с.
2. Хаютин Ю.Г., Чернявский В.Л., Аксельрод Е.З. Применение углепластиков для усиления строительных конструкций//Бетон и железобетон. - № 6. - 2002. - с. 17-20; № 1. - 2003. - с. 25-29.
3. Хаютин Ю.Г., Чернявский В.Л., Аксельрод Е.З. Ремонт и усиление железобетонных конструкций в зданиях из монолитного железобетона. "Проектирование и строительство монолитных многоэтажных жилых и общественных зданий, мостов и тоннелей" Сборник докладов. 2004 г., стр. 195 - 199.
4. В.Д. Топчий, Р.А. Гребенник, В.Г. Клименко и др.; Под ред. В.Д. Топчия, Р.А. Гребенника. – М.: Стройиздат, 1990. – 591 с.
5. Рекомендации по усилению монолитных железобетонных конструкций зданий и сооружений предприятий горнодобывающей промышленности. М. Стройиздат, 1974г.
6. Шилин А.А., Пшеничный В.А., Картузов Д.В. Внешнее армирование железобетонных конструкций композиционными материалами. М., Стройиздат, 2007г. 180с.
7. Методическое пособие. Конструкции железобетонные монолитные с напрягаемой арматурой без сцепления с бетоном. Правила проектирования. М., НИИЖБ им. А.А. Гвоздева, 2017г.109с.
8. Гуладзе Т.И., Ярмаковский В.Н., Хаймов И.С., Асатрян В.Г. Применение модифицированного керамзитобетона при реконструкции зданий // II Всерос. (Междунар.) конф. по бетону и железобетону. М., 2005. Т. 2. С. 100-104.
9. Давидюк А.А., Гуладзе Т.И., Ларюшкин Т.А. Опыт применения несущей арматуры повышенной жесткости в монолитных железобетонных перекрытиях из легких бетонов. М., ПГС, 5/2018г, Строительные конструкции, здания и сооружения. С. 9-13.
10. Способ усиления однопролетных железобетонных балок и перекрытий зданий и сооружений: пат. №2664085 Рос. Федерация заявка №2017135368/ ГуладзеТ.И., Асатрян В.Г., Монахов В.А., Зеленев Е.А; заявл. 05.10.2017; опубл. 15.08.2018.
11. Способ усиления многопролетного железобетонного перекрытия каркаса зданий и сооружений: пат. №2664084 Рос. Федерация заявка №2017135370/ Асатрян В.Г., ГуладзеТ.И., Монахов В.А., Зеленев Е.А; заявл. 05.10.2017; опубл. 15.08.2018.