Внешнее Армирование Железобетонных Колонн Композиционным Материалом На Основе Углеволокна

С каждым годом в строительной отрасли возрастает объём работ по реконструкции и техническому перевооружению существующих объектов. Значительная часть зданий, возведённых в 60–80-е годы прошлого века, эксплуатируется с нагрузками, превышающими проектные, либо имеет дефекты несущих конструкций, вызванные коррозией арматуры, выветриванием бетона или изменением технологических требований. Железобетонные колонны как основные вертикальные несущие элементы нуждаются в усилении наиболее часто.

Классические способы решения этой задачи — увеличение поперечного сечения, установка металлических обойм, замена арматуры — связаны с большими трудозатратами, необходимостью использования тяжёлой техники и, что не менее важно, с уменьшением полезного объёма помещений. Альтернативой выступают современные композитные системы на основе углеродного волокна, которые позволяют нарастить несущий потенциал конструкции без изменения её габаритов.

В мировой и отечественной практике накоплен значительный опыт применения углеволокна для усиления изгибаемых и сжатых железобетонных элементов. Однако вопросы выбора оптимальной схемы армирования и расчётного обоснования остаются дискуссионными, что определяет актуальность настоящего исследования.

Существующие системы внешнего армирования можно дифференцировать по нескольким признакам.

По виду армирующего наполнителя выделяют:

• углеродные волокна (CFRP) — обладают наивысшими прочностными показателями и модулем упругости, рекомендуются для усиления ответственных конструкций;
• стеклянные волокна (GFRP) — менее дорогие, но уступают углеволокну по жёсткости и сопротивлению ползучести;
• арамидные волокна (AFRP) — характеризуются высокой ударной вязкостью, однако чувствительны к воздействию ультрафиолета и влаги.

По форме армирующего элемента различают:

• гибкие полотна и ленты (различные типы тканей и холстов);
• жёсткие ламели и профили (изготавливаются заводским способом).

Для колонн, работающих на центральное или малоэксцентричное сжатие, наиболее оправданным считается применение замкнутых обойм из углеродного волокна, которые обеспечивают всестороннее обжатие бетонного ядра и повышают его прочность за счёт перехода в объёмное напряжённое состояние.

Оценка эффективности усиления колонны углеволокном базируется на совместном учёте работы бетона, стальной арматуры и композитного материала. В расчёт вводятся следующие параметры:

• размеры и форма поперечного сечения колонны;
• класс бетона по прочности на сжатие и его расчётное сопротивление;
• площадь и класс существующей продольной и поперечной арматуры;
• характеристики углеволокна (толщина слоя, расчётное сопротивление, модуль упругости);
• количество и схема расположения слоёв усиления;
• вид и соотношение нагрузок (постоянная, длительная, кратковременная).

При центральном сжатии углеволокно работает как обойма, создавая боковое давление и увеличивая расчётное сопротивление бетона. Расчётная несущая способность определяется по формуле, где суммируются вклады бетона, стали и приведённого сечения углеволокна.

Исходные данные для расчёта:

• колонна сечением 400×400 мм, высота 3,0 м;
• бетон класса В25;
• продольная арматура — 4Ø20 А400;
• усиление — углеволокно SikaWrap-230C (толщина 0,12 мм, прочность 3500 МПа, модуль упругости 230 ГПа, 2 слоя).

Расчёт, проведённый по методике, учитывающей эффект обоймы и совместную работу всех материалов, показал:

Таблица 1.1 - Изменение несущей способности колонны после усиления углеволокном

Дополнительная масса конструкции — менее 5 кг. Толщина углеволокна после двух слоёв — 0,24 мм. Таким образом, усиление достигнуто практически без изменения геометрии колонны, что подтверждает преимущества технологии.

Сравнение методов усиления показывает, что применение углеволокна даёт значительные преимущества:

• снижение трудоёмкости в 2–3 раза по сравнению с устройством стальной обоймы или наращиванием бетона;
• исключение потребности в тяжёлых кранах и сварочном оборудовании;
• возможность работ в зданиях с действующим технологическим процессом;
• высокая коррозионная стойкость и долговечность (срок службы систем усиления составляет не менее 30–40 лет);
• сохранение полезной площади помещений.

Единственным ограничением является чувствительность к высоким температурам (более 200–250 °С), что требует применения дополнительной огнезащиты в зданиях соответствующих категорий.

Внешнее армирование углеродным волокном — эффективный метод усиления железобетонных колонн, работающих на сжатие. Технология проста, не требует сложного оборудования и применима в стеснённых условиях. Расчётная модель обеспечивает достаточную точность для практики. Усиление не увеличивает массу и габариты конструкций, что важно при реконструкции. Системы на основе углеволокна долговечны в агрессивных средах. Дальнейшее развитие методов расчёта и технологий расширит область применения композитного армирования.