Укрепление бетонных конструкций должно рассматриваться, когда существующая конструкция ухудшается или необходимо внести какие-либо изменения в конструкцию, в результате которых конструкция может перестать выполнять свои функции.
Необходимо учитывать существующие материалы, часто находящиеся в ухудшенном состоянии, нагрузки во время усиления и существующую геометрию. В некоторых случаях также может быть трудно добраться до участков, которые необходимо укрепить.
При усилении бетонной конструкции необходимо оценить все режимы разрушения. Усиление конструкции на изгиб может привести к разрушению на сдвиг, вместо того чтобы обеспечить желаемую повышенную несущую способность.
Следует также отметить, что важен не только режим разрушения усиливаемого элемента. Если в конструкции усилен критический элемент, то критический элемент может стать другим.
Из-за изменения жесткости в неопределенной структурной системе необходимо исследовать всю конструкцию. Усиление также должно быть спроектировано с учетом минимизации потребностей в техническом обслуживании и ремонте.
При проектировании усиления необходимо также учитывать последствия потери эффективности усиления в результате пожара, вандализма, столкновения и т.д.
Существующая документация по конструкции часто очень плоха, а иногда даже ошибочна. Может возникнуть необходимость перепроектировать конструкцию с учетом вероятных прежних норм, действовавших на момент строительства.
Это может дать достаточно знаний о способе действия конструкции, в противном случае необходимо провести полевые исследования, чтобы получить представление о конструкции. Однако проект усиления должен соответствовать требованиям современных норм и правил.
Не только финансовые и структурные аспекты должны быть основой для принятия решения о методе усиления, но также необходимо учитывать экологические и эстетические аспекты.
Пластичность бетонных конструкций для структурного усиления
Большинство волокнистых композитов являются линейно-упругими материалами без определенного предела текучести. С другой стороны, конструкции должны быть спроектированы так, чтобы разрушение происходило вязко или, по крайней мере, с адекватными сигналами, предшествующими потенциальному разрушению.
Пластичность можно определить как способность конструкции деформироваться, продолжая нести нагрузку даже при превышении максимальной несущей способности. Важно различать пластичность материала и пластичность конструкции.
Стальные стержни с коротким анкерным креплением могут быть примером хрупкого разрушения, несмотря на то, что сталь считается вязким материалом. Свойства материала и пластичность конструкции не находятся в прямой зависимости, а линейно-упругие материалы могут увеличить пластичность конструкции.
Бетонная балка, усиленная при изгибе стальными стержнями, часто считается очень пластичной. Однако рассмотрим ту же балку, подвергнутую усталостной нагрузке, которая вызывает высокие деформации в стали как при сжатии, так и при растяжении.
Такая нагрузка приведет к хрупкому разрушению конструкции, что еще больше ухудшит ее нормальное поведение. Рассмотрим ту же балку, с усталостной нагрузкой, усиленную линейным упругим материалом, благодаря усилению напряжения в стальных стержнях уменьшатся, и она не разрушится от усталости, вместо этого восстановится вязкое поведение.
На многих различных типах конструкций были проведены работы по восстановлению или увеличению прочности на изгиб, что дает возможность нагрузить конструкцию близко к ее максимальной прочности на сдвиг.
Одна из главных проблем заключается в том, что разрушения при сдвиге часто бывают очень хрупкими, без предупреждения или с небольшим предупреждением, предшествующим разрушению, из-за более высокой упругой энергии, накопленной по сравнению с той, что была до усиления. С другой стороны, конструкция с хрупким разрушением при сдвиге может быть усилена таким образом, что режим разрушения изменится на более вязкий и дружественный.
Необходимость структурного усиления для бетонных конструкций
Бетонные конструкции нуждаются в усилении по любой из следующих причин:
- Увеличение нагрузки вследствие повышения живой нагрузки, увеличения нагрузки на колеса, установки тяжелого оборудования или вибрации.
- Повреждение конструктивных элементов вследствие старения строительных материалов или повреждения огнем, коррозии стальной арматуры и/или воздействия транспортных средств.
- Улучшение пригодности к эксплуатации вследствие ограничения прогибов, снижения напряжения в стальной арматуре и/или уменьшения ширины трещин.
- Модификация конструктивной системы из-за устранения стен/колонн и/или прорезания отверстий в перекрытиях.
- Ошибки при проектировании или строительстве из-за недостаточных проектных размеров и/или недостаточного количества арматурной стали.
Стратегии усиления конструкций
Когда требуется усилить конструкцию, необходимо рассмотреть несколько аспектов.
На рисунке показан схематический пример конструкции, которая имела недостаточную несущую способность из-за недостатков конструкции, уже имевшихся до ее ввода в эксплуатацию. Затем она была усилена немного выше желаемого уровня. Через некоторое время конструкция была повреждена в результате аварии, столкновения, пожара или перегрузки, которые повредили систему до такого уровня, что требования к эксплуатационным характеристикам не были выполнены.
Затем повреждения были устранены до нового удовлетворительного уровня производительности. Позже требования к конструкции изменились, потребовалась более высокая несущая способность, и для удовлетворения этих требований конструкцию необходимо было усилить до более высокого уровня производительности. Третье усиление позволило удовлетворить новые требования и сохранить конструкцию в рабочем состоянии.
Рис. 1. История эксплуатационных характеристик конструкции
Без учета износа необходимость усиления может быть не такой уж сложной. Недостаточные эксплуатационные характеристики, вызванные ошибкой в конструкции, аварией или возросшими требованиями, могут быть определены достаточно четко. Когда износ значительно преобладает, все становится сложнее.
Для новой конструкции, которая не соответствует требованиям из-за проектной или конструктивной ошибки, размер проблемы более или менее хорошо известен, и желаемый срок службы конструкции также может быть достаточно четко выражен. Тем не менее, выбор подходящих методов усиления может быть сложным.
Для старых конструкций, нуждающихся в укреплении, ситуация становится еще более сложной. Одним из важных вопросов является оставшийся срок службы конструкции. Не всегда оправданно усиливать часть конструкции, чтобы обеспечить ей 50-летний срок службы, если фундамент, например, будет функционировать только в течение 10 лет.
Например, дорожная сеть может быть изменена в течение 5 лет в связи с более крупным инфраструктурным проектом. Если мост на существующей дороге необходимо отремонтировать, чтобы обеспечить удовлетворительную надежность, то замена старого моста на новый будет очень неэффективной с точки зрения затрат. В этом случае мост, если это возможно, должен быть отремонтирован, и срок службы отремонтированного моста не должен превышать 5 лет.
Рис. 2. Ухудшение и стратегии укрепления
С учетом износа стратегия усиления становится более сложной. Это схематично показано на рисунке 2. Уровень производительности конструкции медленно снижается, но она все еще отвечает требованиям производительности.
К конструкции предъявляются новые требования, но на данный момент она все еще отвечает требованиям. Снижение производительности в ближайшем будущем приведет к тому, что конструкция станет неадекватной, обозначенной символом X. Скорость деградации может быть разной в разных случаях. Тем не менее, конструкция должна быть модернизирована, в данном случае путем усиления.
Читать далее:
Защитные системы для железобетонных конструкций
Защита предварительно напряженных железобетонных конструкций от повреждений и разрушений
Ремонт дефектов после бетонирования в конструкциях и методы ремонта
- Пластичность строительных конструкций для сейсмостойкого проектирования.
- Типы мостов по пролетам, материалам, конструкциям, функциям, полезности и т.д..
- Концептуальный сейсмический проект моста с вантовой опорой и его компоненты.
- Ошибки при цепной съемке – виды и причины.
- Катастрофа моста Пойнт Плезант: Обрушение подвесного моста с цепью для глаз.
- Концепция проектирования высотных зданий из железобетона.
- Режимы разрушения в бетонных балках: разрушение при изгибе и сдвиге.