Способ усиления железобетонной колонны прямоугольного или квадратного сечения
METHOD FOR REINFORCING A REINFORCED CONCRETE COLUMN OF RECTANGULAR OR SQUARE SECTION

Изобретение относится к области строительства, в частности к усилению, как новых железобетонных колонн, в которых в процессе изготовления были допущены технологические ошибки, так и разрушенных или поврежденных в процессе эксплуатации вследствие влияния негативных факторов.
Изобретение может быть использовано для увеличения несущей способности сжатых железобетонных колонн квадратного или прямоугольного сечения, при этом будет наблюдаться максимальный эффект от усиления элемента композитными материалами.
Известен метод усиления железобетонных сжатых элементов путем устройства железобетонный обоймы. В основу метода входит устройство внешней железобетонной армированной обоймы, которая, работая совместно с существующей конструкцией, воспринимает всю или недостающую часть нагрузки (см., например, "Реконструкция зданий и сооружений", под ред. А.Л. Шагина, М., Высшая школа, 1991, п. 10.5).
Однако этот способ имеет ряд недостатков:
- конструкция усиления не влияет на увеличение несущей способности существующей колонны, а является добавочным элементом, воспринимающим нагрузку;
- при большой толщине обоймы, существенно повышается площадь поперечного сечения колонн, при этом увеличивается вес конструкции на нижележащие элементы, фундаменты и основания, забирается полезная площадь помещения;
- способ отличается высокой трудоемкостью;
- учитывая специфику выполнения усиления, в помещении, где производится усиление, требуется приостанавливать производственные процессы.
Известен способ усиления железобетонной колонны круглой съемной опалубкой (ПМ №67610 U1, E04G 23/02, опубл. 27.10.2007). Усиливаемый элемент охватывается стальной U-образной обоймой стягивается специальными крепежными элементами и бетонируется мелкозернистым саморасширяющимся бетоном.
Данный способ имеет следующие недостатки:
- бетонная обойма при отсутствии внутреннего каркаса и связи с существующей, усиливающей конструкцией может работать не совместно, при этом эффект усиления будет незначителен;
- обойма, без поперечной арматуры и внутреннего каркаса слабо обжимает усиливаем элемент, при этом будет наблюдаться незначительное увеличение прочности бетона существующей конструкции.
Известен способ усиления железобетонных внецентренно сжатых конструкций композитными материалами описан в нормативной методике (СП 164.1325800.2014, п. 6.2.11) по усилению железобетонных конструкций композитными материалами. Основой данного способа является устройство композитной обоймы, расположенной в поперечном направлении вокруг усиливаемого элемента, для создания объемного напряженного состояния. Согласно формулам расчетной методики, объемное напряженное состояние увеличивает прочность бетона на сжатие. Данный способ усиления позволяет увеличивать несущую способность железобетонных колонн без увеличения площади поперечного сечения.
Однако данный способ имеет ряд недостатков:
- эффект усиления снижается при увеличении эксцентриситета приложения нагрузки, соотношения сторон элементов поперечного сечения усиливаем его элемента и гибкости конструкций;
k
ef
- при усилении железобетонных внецентренно сжатых несущих элементов квадратного и прямоугольного сечения, увеличение прочности существенно ниже, чем для элементов круглого сечения. Это занижение контролируется понижающим коэффициентом  (2). Такое положение дел не позволяет максимально эффективно использовать композитные материалы при усилении.
Наиболее близким аналогом является полезная модель на усиление железобетонной колонны (ПМ №81234 U1, E04G 23/02, опубл. 10.03.2009), в основу которой входит устройство круглой опалубки вокруг квадратной колонны с последующим бетонированием мелкозернистым саморасширяющимся бетоном. В данном техническом решении опалубка существенно больше колонны и между усиливаемым элементом и опалубкой устраивается металлический каркас.
Однако устройство каркаса вокруг усиливаемой колонны существенно увеличивает трудоемкость процесса усиления. К недостаткам можно отнести увеличение площади поперечного сечения колонн, при этом уменьшается полезная площадь помещения и увеличивается нагрузки на нижележащие конструкции. Также эффект усиления обеспечивается добавлением к несущей способности существующей колонны прибавочной прочности от элемента усиления, при этом увеличение прочности бетона усиливаемой колонны незначительно и в расчетных формулах не учитывается.
Задача изобретения увеличение прочности бетона существующей железобетонной колонны путем сдерживания развития поперечных деформаций бетона.
Сущность изобретения заключается в том, что способ усиления железобетонной колонны прямоугольного или квадратного сечения, включающий устройство опалубки вокруг колонны, последующее бетонирование мелкозернистым саморасширяющимся бетоном, при этом вначале осуществляется скругление углов поперечного сечения колонны, затем происходит очистка поверхности от пыли и поврежденного бетона, огрунтовывание поверхности, а после устройства опалубки и последующего бетонирования, опалубка снимается и проводится обертывание композитными материалами в поперечном направлении, при этом опалубка устраивается без зазора, впритык к скругленным углам колонны, а композитный материал наклеивается на скругленные участки бетонной обоймы.
Технический результат достигается тем, что сжатые железобетонные колонны прямоугольного или квадратного сечения доводятся до круглого или эллипсоидного состояния после чего усиливаются композитными материалами на основе углепластиков в поперечном направлении, что позволяет увеличивать эффект снижения поперечных деформаций, при этом повышая прочность бетона на сжатие.
Основной идеей разработки технического решения стали выводы на основе анализа расчетных формул нормативного документа СП 164.1325800.2014 по усилению железобетонных конструкций композитными материалами.
Основной эффект усиления от поперечного композитного обертывания сжатых железобетонных элементов, методом устройства обоим, заключается в увеличении прочности бетона на сжатие.
k
k
ef
ef
Формула определения прочности бетона усиленного элемента на сжатие (1) включает понижающий коэффициент  (2), который зависит от конфигурации поперечного сечения усиленного элемента. Для колонны круглого сечения коэффициент равен единице. Для колонн наиболее распространенных параметров поперечного сечения 30×30 и 40×40, коэффициент  составляет 0,36 и 0,23 соответственно.
Эффект усиления можно наблюдать на следующем примере.
При строительстве здания, вместо проектного класса бетона В40, строителями были изготовлены колонны сечением 40x40, с классом бетона В20.
Требуется увеличить прочность бетона колонн методом усиления композитными материалами, расположенными в поперечном направлении, то есть устройство обоим из композитных материалов на основе углеткани.
Для понимания эффективности полезной модели, ниже приведены расчеты колонн сечением 40x40, усиленной двумя методами.
Первый, согласно технологии усиления, описанной в своде правил СП 164.1325800.2014, т.е. производится скругление углов, радиусом превышающем 2 см с последующим обертыванием колонн углетканью.
k
ef
Второй - производится скругление сечения, по методике настоящего изобретения. Скругление колонны даст возможность равномерного обжатия существующей конструкции и поэтому коэффициент  был взят равным единице.
b
b
Согласно результатам расчетов, увеличение прочности бетона на сжатие с класса бетона В20 (R=11.5МПа) до В40 (R=22МПа), для первого метода требуется 11 слоев углеткани.
При использовании круглой опалубки, по второму методу, с последующим усилением композитными материалами, требуются 3 слоя углеткани, при этом следует учитывать, что добавочная площадь бетонных элементов обоймы, так же воспринимает нагрузку.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлен общий вид.
Устройство представляет собой железобетонную колонну 1, усиленную композитной обоймой 2. Полости между колонной 1 и композитной обоймой 2 заполнены мелкозернистым, саморасширяющимся бетоном 3.
Экономический эффект возникает из следующего:
- существенно увеличивается несущая способность усиленной конструкции,
- требуется при усилении меньше композитного материала,
- учитывая, что площадь поперечного сечения колонны увеличивается незначительно, то добавочные нагрузки от обоймы после усиления и полезная площадь помещения увеличивается незначительно, по сравнению с известными вариантами усиления бетонной и железобетонной обоймой,
- уменьшается трудоемкость работ по усилению.
Способ осуществляется следующим образом.
Железобетонная колонна, прямоугольного или квадратного сечения, очищается от масляных пятен и поврежденного бетона. Углы колонны 1 скругляются радиусом более 2 см, поверхность очищается от пыли и обрабатывается грунтовкой, которая входит в комплект по усилению железобетонных конструкций композитными материалами. На колонну 1 надевается опалубка круглого сечения таким образом, чтобы углы колонны 1 касались элементов опалубки, в образовавшиеся пустоты, между опалубкой и усиливаемой колонной 1 нагнетается мелкозернистый, самонапрягающийся бетон 3. Спустя 24 часа опалубка снимается, по необходимости, заполняются раствором щели в зонах углов колонны 1 и зачищаются все неровности. Скругленный элемент обрабатывается грунтовкой и после высыхания наклеиваются композитные материалы на основе углеткани, при этом создается композитная обойма 2. Количество слоев рассчитывается согласно коэффициенту усиления. Наклеивание углеткани производится непрерывно. Все слои представляют собой один длинный холст углеткани, который наматывается на колонну с послойным промазываем специального клея.