УДК 69

Усиление железобетонных балок по наклонным сечениям композитными материалами

Гусейнов Алиджан Гадир оглы – студент программы «Проектирование железобетонных и каменных конструкций (ЖБК)» Строительного факультета Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета

Аннотация: В области строительства и реконструкции зданий усиление железобетонных балок по наклонным сечениям с использованием композитных материалов является эффективным методом для повышения прочности и надежности конструкции. Наружные накладки представляют собой пластины, приклеиваемые к наклонным сечениям балок. Накладки изготавливаются из композитных материалов, таких как углеродные волокна, стекловолокно или арамид. Композитные материалы, такие как углеродные волокна, обладают уникальными свойствами, такими как высокая прочность, жесткость и легкость, что позволяет значительно увеличить несущую способность балок без увеличения их массы или габаритов. Наружные накладки являются более простым и быстрым способом усиления балок, но они менее эффективны, чем внутренние армированные стержни. Внутренние армированные стержни обеспечивают более высокую несущую способность балок, но их монтаж более сложный и трудоемкий. Выбор схемы усиления зависит от конкретных условий эксплуатации балки. Наружные накладки могут быть применены для усиления балок с небольшими нагрузками, а внутренние армированные стержни – для усиления балок с большими нагрузками или с трещинами. В данной статье мы рассмотрим и сравним две основные схемы усиления железобетонных балок по наклонным сечениям с использованием композитных материалов: наружные накладки и внутренние армированные стержни.

Ключевые слова: усиление, железобетонные балки, наклонные сечения, композитные материалы.

В процессе эксплуатации здания и сооружения требуют постоянного обслуживания и ремонта. Это объясняется физико-химическими процессами, возникающими в конструкциях, нагрузками при эксплуатации, качеством изготовления и эксплуатации, климатическими факторами, характером окружающей среды.

Наиболее эффективным способом повышения несущей способности железобетонных элементов является применение современной технологии усиления композитными материалами. Композитные материалы обладают высокой прочностью, жесткостью, устойчивостью к коррозии и малым весом, что позволяет значительно повысить несущую способность конструкции без увеличения ее массы [2].

Исходя из вышесказанного, актуальными становятся вопросы усиления строительных конструкций с целью продления срока их эксплуатации.

На сегодняшний день усиление железобетонных конструкций можно осуществить, например, увеличением геометрических размеров поперечных сечений конструктивных элементов. Однако этот способ увеличивает массу конструкции. Возможно усиление за счет устройства внешних стяжек, опор, поясов [6]. Но, такой способ усиления конструкций приводит к изменению архитектурного облика сооружений и значительным временным и материальным затратам. Также можно усилить конструкции путем приклеивания металлических пластин или их свариванием.

Метод приклеивания металлических пластин требует создания «защитной оболочки», защищающей стальные листы от коррозии. Также пластины имеют достаточно большую массу и ограниченную длину. Как показывает практика, усиление железобетонных конструкций традиционными способами не всегда эффективно. Наиболее эффективным способом повышения несущей способности железобетонных элементов является применение современной технологии усиления композитными материалами [1].

Схема усиления железобетонных балок по наклонным сечениям с использованием наружных накладок из композитных материалов является одним из наиболее распространенных методов. В этой схеме композитные материалы, такие как углепластик или стеклопластик, накладываются на наружную поверхность балки вдоль наклонного сечения. Накладки обеспечивают дополнительную прочность и жесткость балки, улучшая ее способность сопротивляться изгибу [4].

Метод усиления железобетонных балок по наклонным сечениям с использованием внутренних армированных стержней из композитных материалов также является эффективным методом. В этом методе композитные стержни, выполненные из углепластика или стеклопластика, устанавливаются внутри балки вдоль наклонного сечения. Внутренние стержни усиливают балку, улучшая ее способность сопротивляться изгибу.

Сравнение методов усиления железобетонных конструкций композитными материалами приведено в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение методов усиления железобетонных конструкций композитными материалами [2, 7, 10].

Характеристика	Усиление наружными накладками	Усиление внутренними армированными стержнями
Прочность и жесткость	Высокая	Очень высокая
Снижение нагрузки на конструкцию	Да	Да
Устойчивость к коррозии	Да	Да
Стоимость	Более высокая, чем у традиционных методов усиления	Более низкая, чем у традиционных методов усиления
Сложность реализации	Менее сложная	Более сложная

В таблице 2 приведены преимущества и ограничения композитных материалов для усиления железобетонных конструкций.

Таблица 2. Преимущества и ограничения композитных материалов для усиления железобетонных конструкций [3, 8, 9].

Преимущества наружных накладок	Ограничения наружных накладок	Преимущества внутренних армированных стержней	Ограничения внутренних армированных стержней
Простота установки: Наружные накладки могут быть легко прикреплены к поверхности балки с использованием клеевых или механических крепежных элементов.	Дополнительная толщина: Наружные накладки увеличивают толщину балки, что может потребовать дополнительного пространства для установки.	Экономия пространства: Внутренние стержни не изменяют внешний вид балки и не требуют дополнительного пространства для установки.	Сложность установки: Установка внутренних стержней требует специальных технологий и оборудования, а также доступа внутренней части балки.
Улучшенная прочность: Композитные материалы обладают высокой прочностью и жесткостью, что позволяет значительно усилить балку и повысить ее нагрузочную способность.	Внешний вид: Наружные накладки могут изменить внешний вид балки, что может быть нежелательным с эстетической точки зрения.	Равномерное распределение нагрузки: Внутренние стержни позволяют равномерно распределить нагрузку по всей балке, что способствует повышению ее прочности.	Дополнительные расчеты: Использование внутренних стержней требует проведения дополнительных расчетов и анализа для определения оптимальных параметров усиления.
Устойчивость к коррозии: Композитные материалы не подвержены коррозии, что увеличивает долговечность конструкции.		Улучшенная жесткость: Внутренние стержни значительно повышают жесткость балки, что способствует уменьшению прогибов и деформаций.

Рассмотрим метод усиления железобетонных конструкций путем наклеивания композитных материалов. Суть метода заключается в наклеивании на поверхность конструкции, которая усиливается, композитных лент или полотен с применением специальных эпоксидных составов. Основными элементами системы приклеивания элементов из композитных материалов являются ленты из композитных материалов, специальный клей для крепления лент к поверхности конструкций и ремонтные смеси для заполнения дефектов в конструкциях [5].

Усиление конструкций проводится внешним армированием композиционными материалами на основе углеродных, арамидных, базальтовых и стеклянных волокон (фиброармированными системами). Наружные фиброармированные системы используются для продольного и поперечного армирования стержневых элементов, создания армирующих усиливающих оболочек на колоннах и опорах мостов, для усиления элементов ферм и других конструкций. Целесообразно усиление внешними фиброармированными системами в диапазоне 10…60% от начальной несущей способности усиливающейся конструкции [4].

Исходные данные для расчета усиления железобетонных балок по наклонным сечениям с использованием композитных материалов приведены в таблице 3.

Таблица 3. Исходные данные для расчета усиления железобетонных балок по наклонным сечениям с использованием композитных материалов.

	Наружные накладки	Внутренние армированные стержни
Ширина балки, b	200 мм	200 мм
Толщина балки, h	300 мм	300 мм
Расстояние от центра тяжести балки до ее верхней грани, c	150 мм	150 мм
Угол наклона сечения, α	45°	45°
Толщина и ширина накладки	t = 10 мм b = 150 мм
Диаметр стержня	-	10 мм
Количество стержней n	-	4
Модуль упругости композитного материала E	245 000 МПа	200 000 МПа

Расчет усиления железобетонных балок по наклонным сечениям с использованием композитных материалов (наружные накладки)

Площадь поперечного сечения балки без усиления:

A1 = bhc = 200 * 300 * 0,15 = 90 000 мм²

Площадь поперечного сечения балки с усилением:

A2 = A1 + (b + 2t)tb = 90 000 + (200 + 20) * 10 * 150 = 121 500 мм²

Момент сопротивления балки без усиления:

W1 = (A1 * c) / 2 = (90 000 * 0,15) / 2 = 76 500 мм³

Момент сопротивления балки с усилением:

W2 = (A2 * c) / 2 = (121 500 * 0,15) / 2 = 91 250 мм³

Увеличение момента сопротивления балки

ΔW = W2 - W1 = 91 250 - 76 500 = 14 750 мм³

При использовании наружных накладок из композитного материала с толщиной 10 мм и шириной 150 мм момент сопротивления балки увеличивается на 14 750 мм³, что составляет около 20% от момента сопротивления балки без усиления.

Расчет усиления железобетонных балок по наклонным сечениям с использованием композитных материалов внутренними армированными стержнями

Площадь поперечного сечения балки без усиления:

A1 = b*h*c = 200 * 300 * 0,15 = 90 000 мм²

Площадь поперечного сечения балки с усилением:

A2 = A1 + n*π*d*2 / 4 = 90 000 + 4 * π * 10 * 10 / 4 = 98 200 мм²

Момент сопротивления балки без усиления:

W1 = (A1 * c) / 2 = (90 000 * 0,15) / 2 = 76 500 мм³

Момент сопротивления балки с усилением:

W2 = (A2 * c) / 2 = (98 200 * 0,15) / 2 = 88 300 мм³

Увеличение момента сопротивления балки

ΔW = W2 - W1 = 88 300 - 76 500 = 11 800 мм³

При использовании внутренних армированных стержней диаметром 10 мм и количеством 4 шт. момент сопротивления балки увеличивается на 11 800 мм³, что составляет около 15% от момента сопротивления балки без усиления.

Как видно из приведенных расчетов, увеличение момента сопротивления балки с усилением наружными накладками составляет около 20%, а с усилением внутренними армированными стержнями – около 15%. Таким образом, усиление балки внутренними армированными стержнями является менее эффективным способом повышения ее несущей способности. Однако, следует учитывать, что усиление внутренними армированными стержнями требует более трудоемких работ, чем усиление наружными накладками.

В заключение отметим, то все схемы и методы усиления железобетонных балок по наклонным сечениям композитными материалами имеют свои преимущества и ограничения. Выбор между наружными накладками и внутренними армированными стержнями зависит от конкретных требований проекта и доступности. Композитные материалы широко используются для усиления железобетонных конструкций, подверженных повышенным нагрузкам. Они позволяют повысить несущую способность конструкций в значительно большей степени, чем традиционные методы усиления.

Список литературы

1. Боярчук Б.А. Прочность, трещиностойкость и деформативность железобетонных конструкций при разных способах усиления растянутой зоны / Б.А. Боярчук. – 2020. – С. 15-27.
2. Дегтярева О.Г. Математическое моделирование устройства усиления приопорных частей железобетонных балок при реконструкции. Уральский научный вестник. 2023. Т. 6. № 8. С. 25-39.
3. Кушель Р.О. Материалы для усиления железобетонных балок. В сборнике: Интеллектуальный потенциал общества как драйвер инновационного развития науки. Сборник статей Международной научно-практической конференции. Уфа, 2021. С. 125-129.
4. Лазовский Д.Н. Усиление железобетонных конструкций эксплуатируемых строительных сооружений. – М.: Издательство НУВХП, 2018. – 240 с.
5. Мельник И.В. Прочность и деформативность железобетонных балок, усиленных конструкционными композитами при различных условиях предварительной загрузки / И.В. Мельник, Р.З. Добрянский, А.Я. Мурин // Сб. науч. работ "Строительные конструкции". – 2023. – Вып. 56. – С. 121-129.
6. Мельник И.В. Экспериментальные исследования прочности, жесткости и трещиностойкости железобетонных балок, усиленных углепластиками при разных уровнях предварительной нагрузки / И.В. Мельник, Р.З. Добрянский, Н.Б. Давыдовский // Ресурсоэкономные материалы, конструкции, здания и сооружения. 2021. – Вып. 22. – С. 814-821.
7. Опалева Е.А., Бузиков Ш.В. Усиление железобетонных балок с помощью напряженной шпренгельной арматурой. Студенческий форум. 2022. № 20-2 (199). С. 26-29.
8. Радайкин О.В., Шарафутдинов Л.А. Усиление железобетонных балок сталефибробетоном с учетом предыстории нагружения. Промышленное и гражданское строительство. 2023. № 2. С. 57-65.
9. Рымарь Я.В. Прочность и деформативность железобетонных балок, усиленных под погрузкой наращиванием арматуры: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.23.01 / Я.В. Рымарь. М.: Издательство "Политехника", 2020. – 20 с.
10. Almuslehi O.F., Fomin N.I., Rutkauskas T.K. Strengthening of reinforced concrete beams in a damaged building using carbon fiber materials. Russian Journal of Construction Science and Technology. 2022. Т. 8. № 1. С. 30-42.