СПОСОБ УСИЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ КОЛОННЫ
REINFORCED-CONCRETE COLUMN REINFORCING METHOD

Изобретение относится к области строительства, а именно к усилению и ремонту строительных конструкций, в частности, к способу усиления колонны, путем приклейки высокопрочных и высокомодульных искусственных волокон. В качестве материала используют холст из углеродного волокна (углехолст), который приклеивается с помощью клеящего состава.
Технический результат при усилении колонн заключается в повышении несущей способности, предотвращении разрушения железобетонной колонны, снижении трудозатрат, сокращении срока производства работ и защиты от вредного воздействия окружающей среды.
Железобетонные колонны промышленных зданий и сооружений, и опоры различных эстакад являются массивными строительными конструкциями, которые наиболее повреждаемы различным внешним воздействиям, и количество их разрушений постоянно растет из-за старения эксплуатируемых объектов. Для обеспечения надежной эксплуатации колонн необходимо принимать меры по повышению их несущей способности. Поэтому разработка эффективных способов усиления железобетонных колонн актуальна и перспективна с учетом появления новых ремонтно-строительных материалов и технологий.
Для ремонта и повышения несущей способности железобетонной колонны известны и используются на практике множество различных способов.
Аналогом предлагаемого способа является способ, восстановления несущей способности колонны методом наращивания сечения, который чаще всего применяется при ремонтно-восстановительных работах и рекомендован в качестве основного в ряде нормативных документов по ремонту строительных конструкций. Согласно этому способу усиление железобетонной колонны заключается в увеличении площади поперечного сечения бетона и арматуры при помощи усиливающей обоймы. Для этого выполняют ряд технологических операций, чтобы обеспечить совместную работу усиливающей обоймы и колонны, включая разборку поврежденного бетона, очистку от коррозии арматуры, насечку контактных поверхностей, разделку и зачеканку трещин, приварку арматуры обоймы к арматуре колонны, обеспыливание и увлажнение контактной поверхности и другие (см. «Пособие по практическому выявлению пригодности к восстановлению поврежденных строительных конструкций зданий и сооружений и способам их оперативного усиления», ЦНИИПромзданий, Москва, 1996 г.[1]).
Несмотря на достигнутый результат, известный способ усиления железобетонной колонны методом наращивания сечения имеет ряд технических и технологических недостатков, которые усложняют производство работ, увеличивают трудозатраты и не позволяют производить работы на действующих предприятиях. К ним относятся:
- необходимость определения степени снижения несущей способности колонны для расчета параметров усиливающей обоймы, включая инструментальную диагностику каждой колонны, установление геометрических размеров, класса бетона и армирования усиливающей обоймы;
- необходимость выполнения от 5 до 10 различных технологических операций для обеспечения совместной работы материала усиливающей обоймы и бетона колонны, включая разборку разрушенного или декарбонизированного бетона, насечку контактных поверхностей, разделку и зачеканку трещин, очистку арматуры от коррозии, сварку арматуры обоймы с арматурой колонны, обеспыливание и увлажнение старого бетона перед бетонированием обоймы и др.;
- неопределенность перераспределения усилий, воспринимаемых обоймой и колонной из-за высоких прочностных характеристик современного безусадочного ремонтного бетона обоймы, которые в 2-3 раза превосходят такие характеристики усиливаемой колонны;
- невозможность производства работ по усилению железобетонных колонн в действующих предприятиях, связанных с разборкой бетона, сваркой арматуры по условиям соблюдения требований техники безопасности и пожарной безопасности без остановки или ограничения технологических процессов;
- при восстановлении несущей способности колонны необходимо не только обеспечить восприятие этой колонной расчетных усилий, но и устранить причины, вызвавшие преждевременное разрушение бетона и арматуры, при помощи использования для бетонирования обоймы долговечных материалов и конструктивных решений, которые сохранят эксплуатационные характеристики восстановленной колонны в течение заданного срока.
Также известен «Способ усиления железобетонной колонны, утратившей несущую способность» по патенту РФ: RU 2274719 от 20.04.2006 г., МПК E04G 23/02 [2]. Способ заключается в обработке поверхности колонны насечкой и увлажнением поверхности колонны, устройством обойм и наращиванием поперечного сечения с уменьшением эксцентриситета приложения продольной сжимающей силы. Стальную трубу деформируют, обжимают ее сечение с двух сторон валками, превращая цилиндрическое сечение в овальное с соотношением большей оси к меньшей, равным трем, и разрезают трубу вдоль. Заключают поврежденную железобетонную колонну внутрь стальной обоймы, ориентируя ее большую ось сечения в плоскости эксцентриситета приложения сжимающей силы, и уменьшают эксцентриситет. Герметично соединяют две половинки овального сечения в единое целое и плотно заполняют полости между стальной обоймой и поврежденной железобетонной колонной расширяющимся мелкозернистым бетоном, нагнетая его через патрубки в полости снизу вверх. Уплотняют бетон вибрированием и при схватывании бетона напрягают сечение, обжимая его со всех сторон стальной опалубкой, и этим усиливают всю конструкцию. Данным способом усиливают железобетонные колонны, утратившие несущую способность при коррозии бетона и арматуры.
Несмотря на достигнутый результат данный способ очень трудоемкий, материалоемкий и обладает рядом недостатков.
Наиболее близким способом - прототипом, является «Способ усиления колонны» по патенту РФ: RU 2412318 от 20.02.2011 г., МПК E04G 23/02 [3]. Способ усиления железобетонной колонны с помощью ее дополнительного внешнего армирования, с последующей заделкой этого армирования, при этом в виде элементов дополнительного армирования используют сборную стальную обойму, элементы которой плотно накладывают на колонну и сваривают между собой. В качестве элементов обоймы используют П-образные стержни, которые располагают непосредственно на теле колонны парами. В каждой паре концы П-образных стержней направляют навстречу друг другу. Пары размещают на колонне с шагом. С помощью прижимных устройств пары плотно фиксируют на колонне. Наложенные друг на друга концы П-образных стержней сваривают между собой. Между парами на высоту шага устанавливают стержни и их концы приваривают к парам.
Однако этот способ не лишен недостатков. Он является очень трудоемким и материалоемким.
Предлагаемое изобретение состоит в том, чтобы устранить изложенные недостатки, в частности повысить несущую способность и прочность, а также уменьшить время выполнения усиления железобетонной колонны.
Задача заявляемого изобретения заключается в повышении несущей способности, предотвращении разрушения железобетонной колонны и сокращении срока выполнения работ по усилению.
Общим для аналогов и заявленного способа усиления железобетонной колонны является то, что усиления колонны происходит с помощью обоймы, обрамляющей по высоте железобетонную колонну, размещенную с определенным шагом.
Отличием предлагаемого способа от аналогов и прототипа является то, что усиление колонны осуществляется путем устройства вокруг сечения элементов бандажей с направлением волокон перпендикулярно продольной оси усиливаемой конструкции. Принципиальным отличием является то, что в качестве обоймы, обрамляющих на высоте железобетонную колонну используется бандажи изготовленных из композитных материалов, в частности армированные углеродными волокнами (углехолст). Бандажи устанавливаются по всей высоте конструкции. Они применяются на внешних поверхностях для повышения несущей способности колонн в случае увеличения действующих нагрузок.
Таким образом, сущность заявляемого изобретение состоит в том, что в способе усиления железобетонной колонны с помощью ее дополнительного внешнего армирования, с последующей заделкой этого армирования, предварительно снимают бетон защитного слоя до продольной арматуры, устанавливают новую дополнительную арматуру по всей высоте колонны при помощи сварки, полимерцементными ремонтными составами наносят защитный слой заделкой и выравниванием поверхности колонны с округлением ее углов радиусом 10…20 мм, очищают и обрабатывают поверхность бетона грунтовочным составом, наносят последовательно на поверхность бетона слой клеящего состава, укладывают и закрепляют углехолст, наносят финишный слой клеящего состава, который присыпают тонким слоем сухого песка крупностью 0,5…1,5 мм.
На фиг.1 изображена усиленная колонна по заявляемому способу. На фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.
На фиг.1 железобетонная колонна 1 установлена на основании 2, на колонне сверху лежит плита перекрытия 3. На фиг.2 в колонне 1 имеется продольная арматуры 4, к которой устанавливают новую дополнительную арматуру 5 по всей высоте колонны при помощи сварки. При заделке арматуры 4 и 5 применен полимерцементный ремонтный состав 6, который нанесен с округлением углов колонны радиусом 10…20 мм. Поверхность бетона колонны 1 покрыта слоем клеящего состава 7, на котором закреплен углехолст 8, покрытый сверху смесью клеящего состава и песка 9 крупностью 0,5…1,5 мм.
Применение армированного углеродного волокна для усиления колонн производят двумя возможными вариантами:
1 - устройство бандажей из холста из углеродного волокна для создания «эффекта обоймы», по типу косвенного армирования, которое приводит к увеличению прочности при сжатии.
2 - монтаж холста из углеродного волокна вдоль сжатого элемента, внешняя арматура в этом случае работает как дополнительная арматура.
Предлагаемый способ имеет ряд преимуществ. Данный способ позволяет усилить колонну по всей длине, что позволяет повысить несущую способность и надежность колонны. Применение холстов из углеродного волокна и эпоксидного клея предотвращают разрушение и выпор бетона сжатой зоны защитного слоя арматуры и потерю устойчивости арматуры. Кроме того, способ позволяет восстановить утерянную несущую способность колонн в случае потери части сечения арматуры вследствие ее коррозии. Круговое обертывание армированного углехолста вокруг колонны, работающих на сжатие, создает ограничение деформированию в поперечном направлении путем создания обоймы с ориентацией волокон в поперечном направлении и приводит к увеличению прочности при сжатии. При увеличении сжимающих нагрузок обойма испытывает растяжение, сдерживая развитие поперечных деформаций.
Применение способа по усилению железобетонной колонны поясняется следующим.
2
Поверхность бетона должна быть очищена от краски, масла, жирных пятен, цементной пленки. Трещины с раскрытием более 0,3 мм должны быть отремонтированы низковязкими эпоксидными или полиуретановыми составами, трещины с меньшим раскрытием могут быть затерты полимерцементным раствором. Для лучшего сцепления эпоксидного клея с бетоном, поверхность основания должна быть шероховатой. Это достигается обработкой поверхности бетона металлической щеткой. Обработке подвергается только поверхностный слой до появления на поверхности крупного заполнителя. После очистки поверхность бетона обрабатывается грунтовочным составом с целью упрочнения основания и улучшения сцепления эпоксидного клея с бетонной поверхностью. Перед нанесением на бетонное основание слоя клея поверхность следует продуть сжатым воздухом. Первый слой клея наносят на основание из расчета 0,7…1,0 кг/м с помощью шпателя, кисти, валика с коротким ворсом. Холст предварительно нарезается на гладком столе, покрытом полиэтиленовой пленкой на отрезки проектной длины, используя ножницы или острый нож, либо постепенно разматывается с бобины и обрезается по месту в процессе наклейки. Холст укладывается на слой эпоксидного клея. Делается это тыльной стороной руки путем постепенного размещения ткани с одного края основания до другого. В процессе укладки необходимо следить, чтобы кромка полотнища была параллельна кромке предыдущего полотнища. После укладки осуществляется прокатка холста, в процессе которой происходит ее пропитка. Пропитка осуществляется с помощью жесткого резинового валика или шпателя от центра к краям строго в продольном направлении (вдоль волокон). После пропитывания холст должен быть слегка липкой на ощупь, но без явно видимого присутствия эпоксидного клея. Затем наносят финишный слой клея, присыпая тонким слоем сухого песка, для лучшего сцепления поверхности усиленной колонны с декоративным слоем, крупностью 0,5…1,5 мм. Углехолсты можно наклеивать в несколько слоев и формировать любые сечения, необходимые по расчету.
2
2
Перед укладкой второго слоя ткани (при многослойной конструкции усиления) на прикатанную ленту наносится слой эпоксидного клея из расчета 0,5…0,6 кг/м. Укладка и прокатка второго и последующих слоев производится аналогичным образом. После укладки последнего слоя холста на поверхность их наносится финишный слой эпоксидного клея из расчета 0,5 кг/м. По высоте каждый последующий холст укладывается согласно расчету (с нахлестом, встык или с интервалом), возможна укладка нескольких слоев. Обладая небольшим весом, стойкостью к биологическому и химическому разрушению холсты из армированного углеродного волокна предоставляют инженерам и проектировщикам огромные возможности. При усилении колонны путем обертывания углехолстом минимальное значение прочности на сжатие бетона может быть равным 10,0 МПа. При оборачивании конструкций в поперечном направлении холстом на наружных углах конструкции необходимо выполнить округления с радиусом 1…2 см (Фиг.2).
Применение углехолстов имеют следующие преимущества:
- механические характеристики элементов внешнего армирования варьируются в пределах: Е=70000…640000 МПа; R=1700…4800 МПа;
- высокая прочность, жесткость (в 5…10 раз больше стали), высокая прочность на растяжение, выдающаяся усталостная прочность, невосприимчивость к агрессивным внешним факторам, высокая щелочестойкость, отсутствие коррозии;
- небольшие размеры, низкий вес, препятствие развитию трещин, влагостойкость, простота перевозки (рулоны), простое и быстрое применение, гибкий материал, малая общая толщина, легкая укладка, способность повторять практически любые формы конструкции, можно использовать несколько взаимоперпендикулярных слоев, усиление на изгиб и сдвиг, высокие постоянные нагрузки;
- непрерывность эксплуатации сооружения во время проведения работ по усилению, возможность изготовления любых длин, нет необходимости в соединениях, экономичность применения - нет потребности в тяжелом подъемном и установочном оборудовании.
Экономичность способа заключается в минимизации элементов усиления и упрощении технологического процесса в сравнении с прототипом.
Предлагаемый способ гарантирует защиту от вредного воздействия окружающей среды.
Реализация заявляемого способа с вышеизложенной совокупностью ограничительных и отличительных признаков формулы изобретения является новым для строительных конструкций, и в частности для усиления железобетонных колонн, и, следовательно, соответствует критерию «новизна».
Вышеприведенная совокупность признаков неизвестна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил усилении железобетонных колонн, что доказывает соответствие критерию «изобретательский уровень».
Конструктивная реализация заявленного способа с указанной выше совокупностью признаков не представляет никаких конструктивных и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленная применимость».
Источники информации
1. «Пособие по практическому выявлению пригодности к восстановлению поврежденных строительных конструкций зданий и сооружений и способам их оперативного усиления», ЦНИИПромзданий, Москва, 1996 г.
2. Патент РФ: RU 2274719 от 20.04.2006 г., МПК E04G 23/02 - «Способ усиления железобетонной колонны, утратившей несущую способность».
3. Патент РФ: RU 2412318 от 20.02.2011 г., МПК E04G 23/02 - «Способ усиления колонны» - прототип.