+7 (499) 226-91-87

Основные сведения о системах усиления Sika

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ УСИЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ИНЖЕНЕРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ПОМОЩИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (КМ) SikaWrap (ткани) и Sika Carbodur (ленты).

1. Причины усиления конструкций.

Причины, в связи с которыми возникает необходимость усиления конструкции, бывают разные. Ниже описаны основные случаи:

  1. Неудовлетворительное общее техническое состояние объекта, требующее обязательного проведения ремонтных работ, в том числе работ по усилению конструкции, что позволит его дальнейшую безопасную эксплуатацию, но на уровне нагрузок, соответствующих параметрам проектирования, напр. без повышения класса грузоподъёмности моста по отношению к первоначальным исходным данным. Это требование часто относится к относительно новым объектам (запроектированным по еще действующим нормам), но построенных недостаточно качественно, или из материалов низкого качества, то есть к объектам, характеризующимся низкой прочностью.
  2. Хорошее общее техническое состояние объекта, но необходимо произвести его усиление в связи с увеличением уровня действующих или перспективных нагрузок по сравнению с нагрузками, заложенными в проекте, причем предназначение объекта не должно измениться. Наиболее типичным примером служат мосты, построенные много лет тому назад (напр. в тридцатые годы) и не отвечающие уже настоящим эксплуатационным условиям по грузоподъёмности, но сохраняющие относительно высокую прочность.
  3. Неудовлетворительное общее техническое состояние объекта, дальнейшая эксплуатация которого требует усиления, позволяющего объекту воспринимать нагрузки выше тех, которые заложены в проекте. Причем, как в примере вышеупомянутом, необходимо оставить основную функцию объекта. Типичным примером могут служить мосты, построенные в прежние периоды, запроектированные с учётом значительно меньших эксплуатационных нагрузок и сооруженные из бетонов очень низкого качества, что наблюдалось при строительстве объектов 60 - тых и 70 - тых годов.
  4. Усиления, вызванные всякого рода изменениями функции конструкции или ее элементов. Типичным примером могут быть случаи, когда были повышены требования по грузоподъемности перекрытий в результате изменения предназначения помещений, напр.после установки дополнительных машин или устройств в промышленных зданиях, организации склада или библиотеки в торговых или школьных зданиях, и тп.
  5. Усиления, необходимость в которых возникает после различного перестраивания и модернизации существующих зданий. Например: монтаж лифта в здании шахты, не предусмотренного ранее в проекте, требует соответственного усиления определенных фрагментов перекрытий или стен.

Обычно существуют одновременно две основные причины, в связи с которыми появляется необходимость в усилении:

  • неудовлетворительное техническое состояние объекта,
  • увеличение уровня различного вида нагрузок, действующих на данный объект и превышающих нормы грузоподъемности.

Это касается мостовых конструкций.

Объем необходимых усилений в различных строительных и инженерных объектах в Польше огромный, также, как и в других странах мира, в том числе и в наиболее развитых. Поэтому в последние годы мы можем наблюдать развитие новых технологий для выполнения этой задачи. Сегодня существуют возможности быстрой адаптации этих новейших решений на территории нашей страны.

2. Основные методы усиления конструкций.

Усиление конструкции это почти всегда задача, требующая индивидуального подхода как с технической, так и с экономической стороны. Ниже приводится классификация методов усилений, которая относится к распространенным случаям усиления бетонных мостов, но большинство этих методов применимо также и в другого рода конструкциях. Важнейшим критерием классификации послужило решение вопроса: осуществляется ли усиление путем сознательного введения перераспределения (редистрибуции) внутренних сил в конструкции (группа активных методов), или данный метод может вызывать вышеупомянутое перераспределение, но не решает основной задачи усиления объекта (пассивный метод)

  1. Пассивные методы:
    • Увеличение поперечного сечения элементов конструкции путём добавления армирования и бетонирования.
    • Наклеивание или/и механический монтаж стальных полос или листового металла.
    • Наклеивание лент и композитных панелей Sika CarboDur и SikaWrap.
  2. Активные методы:
    • Перераспределение сил в поперечном направлении (напр. путём догружения средних балок и разгрузки крайних в многобалочной системе).
    • Монтаж добавочных усиливающих элементов (напр. добавочных несущих балок).
    • Уменьшение удельного веса конструкции (напр. путём замены бетонных элементов стальными).
    • Обжатие конструкции (обычно внешними канатами ).
    • Наклеивание предварительно напряжённых композитных лент Sika CarboDur (лабораторная стадия).

Самыми современными методами, успешно примененными в Польше, являются: применение внешнего обжатия напряженной арматурой и наклеивание композитных лент, панелей и тканей Sika CarboDur и SikaWrap. Этот пассивный метод является новейшим в мире. Его преимущество, отличающее от всех остальных методов - это простота и исключительно небольшая трудоёмкость.

3. Усиления при помощи композитных лент Sika CarboDur и панелей из углеродных волокон Sika Wrap.

3.1.Характеристика метода

Углеродные волокна — материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 5 до 15 микрон, образованных преимущественно атомами углерода.

Композитные ленты состоят из углеродных волокон, помещенных в синтетические волокна. В литературе выступают под названием «лент CFRP» с английского Carbon Fibre Reinforced Plastic (усиление зданий лентами на основе углеродных волокон). Их свойства и способ применения для усиления конструкции представлены в дальнейшем. Здесь объясняем лишь общие вопросы, касающиеся этого нового метода. Панели из углеродных волокон SikaWrap являются дополнением системы SikaCarboDur. Система SikaWrap предназначена прежде всего для усиления зон среза, опор, колонн, столбов, каменных конструкций, поверхностных усилений и всех случаев, где применение лент SikaCarboDur является трудным или невозможным. В отношении к основной концепции этот метод отвечает известному и применяемому в Польше методу усиления путём прикрепления стальных полос к элементам конструкции.

Применение композитных материалов и панелей из углеродных волокон имеет множество достоинств. Соответственное сравнение обоих методов представляет таблица 1. Из сравнения вытекает, что единственный „недостаток” композитных материалов Sika CarboDur и SikaWrap это их достаточно высокая единичная цена. Может сложиться мнение, что этот метод является дорогостоящим. Это легко опровергнуть, пользуясь примером самого первого применения лент Sika Carbo Dur при усилении моста Ибах в Швейцарии в 1991 году. В то время цена 1 кг лент по швейцарским стандартам, в 40 ? 50 раз превышала цену 1 кг стали (Fе 360). Однако для усиления вышеуказанного моста израсходовано 6,2 кг лент, причем применяя сталь потребовалось бы использовать 175 кг этого материала, т.е. в 28 раз больше. Если к этому прибавить другие преимущества, напр. значительное уменьшение полной стоимости путём сокращения времени работ, оказывается, что уже тогда применение композитных лент Sika CarboDur являлось конкурентным по сравнению с применением стали.

Сегодняшнее соотношение цен ещё больше склоняет к применению композитных лент и панелей Sika CarboDur и Sika Wrap. Необходимо также учесть стоимость рабочей силы, подмостей, механического оборудования, используемого в случае применения стальных полос. При усилении зданий композитными материалами - лентами на основе углеродных волокон - они в большинстве случаев не нужны.

 

Таблица 1. Сравнение усиления стальных полос и композитных материалов Sika Carbo Dur и SikaWrap (лент на основе углеродных волокон). Применение стальных полос Применение композитных материалов Sika CarboDur и SikaWrap
Достоинства
  • Относительно низкая стоимость материала
  • Сравнительно многочисленные применения
  • Достаточная прочность, в т.ч. усталостная
Недостатки
  • Низкая коррозионная стойкость
  • Относительно большой вес стальных полос
  • Трудности в маневрировании длинными тяжолыми элементами на ограниченной площади
  • Высокая стоимость рабочей силы
  • Необходимость возведения подмостей и рабочих площадок
  • Ограниченные размеры (проблема соединений)
  • Соединение с усиливаемым элементом обычно механическо - клеевое (т.е. клей + различного рода механические анкерные закрепления )
  • Применение лишь при усилении элементов из бетона
Достоинства
  • Коррозионная стойкость
  • Прочность на расстяжение больше в 10 раз
  • Лёгкость, простота применения и маневрирования
  • Низкая стоимость рабочей силы
  • Короткое время реализации
  • Возможность избежания возведения подмостей (напр. употребление только автомобильных подъёмников с люлькой)
  • Отсутствие размерных ограничений (длины)
  • Экстремально высокая усталостная прочность
  • Не требует консервации
  • Возможность применения для конструкции из разных материалов (бетона, стали, дерева)
  • Соединение ленты с усиливаемым элементом только при помощи клея
Недостатки
  • Относительно высокая стоимость материала
  • Ограничение сферы применения.

3.2. Замечания по проектированию усиления.

Процедура проектирования усиления при помощи композитных лент и панелей из углеродного волокна SikaCarboDur и SikaWrap в Польше уже разработана и применена для усиления более десяти объектов. Существуют соответствующие алгоритмы компьютерной программы на основе швейцарских норм. Этот алгоритм был первоначально применён при реализации в 1997 году проекта усиления моста на реке Виар в г. Пшемысле. Он был адаптирован для возможности проектирования по польским нормам специально для постройки мостов. Главным при проектировании усилений бетонных конструкций является то, что принцип плоских сечений сохранён, что было экспериментально доказано. По аналогии с коэффициентом n = Еа/Еb, как в классическом железобетоне, введён коэффициент n1 = Еk/Еb (Еа, Еb, Еk - модуль Юнга, соответственно для стали, бетона и композитной ленты). Формулы по определению размеров усложняются по сравнению с существующими подходами, но упомянутый алгоритм позволяет избежать затруднительных вычислений. Существуют также отработанные формулы расчета на срез, определение нужной длины анкерного закрепления ленты, в том числе, когда она предварительно напряжена. Технология напряжения лент в усиливаемых элементах конструкции отрабатывается в лабораторных условиях.

3.3 Эффективность усиления лентами и основной объём применения метода.

Эффективность усиления бетонных конструкций композитными лентами очень высокая. В зависимости от вида лент, количества их слоёв и рода действующей нагрузки, предельная грузоподъёмность элемента может увеличиться в 2 - 3 раза по сравнению с неусиленным элементом. В особенности это касается балок. Обычно достаточно, хотя бы в случае некоторых конструкций, напр. мостов, чтобы в объёме обычного использования это усиление составляло от десяти до нескольких десятков процентов, что почти всегда удаётся достигнуть. Чтобы достичь эффективного усиления при помощи лент, необходимо строго соблюдать технологический режим, прежде всего при подготовке поверхности основного материала. Соответственные условия составлены в дальнейшей части данного справочника. Здесь заметим лишь, что перед наклеиванием лент необходимо провести испытание прочности бетонного основания на отрыв, то есть испытание „pull - off”. Минимальное значение результата этого испытания должно быть ? 1,5 МПа. Существующий опыт, в том числе польский, в области усиления существующих конструкций, позволяет показать следующие объёмы многочисленного и рационального применения композитных лент SIKA CARBODUR в бетонных объектах:

  • усиление при обычной нагрузке балок и плит - ленты приклеиватся согласно так называемой огибающей изгибающих моментов, они бывают разной длины и могут быть наклеены в 1 или больше слоёв (здесь присутствует определённая аналогия к схеме армирования стержнями в изгибаемых элементах);
  • усиление в связи с опасением перед возможностью образования трещин в бетоне от недостаточного обжатия корродированных напрягаемых элементов в сборных или других балках – в этом случае ленты наклеиваются „от опоры к опоре”, т.е. по всей длине элемента;
  • усиление в связи со срезывающими или главными растягивающими напряжениями – в этом случае отрезки лент наклеиваются по боковым поверхностям (обычно балок) и в направлениях отогнутых арматурных стержней.

Другие применения лент, напр. для усиления опор, столбов, перекрытий и стен представлены в дальнейшей части справочника. Надо подчеркнуть, что усиление зданий при помощи композитных углеродных лент на основе углеродных волокон SIKA CARBODUR полезное и эффективное во всех случаях, описанных в данном справочнике. Это универсальный метод.