Технико-экономическое сравнение вариантов усиления железобетонных балок перекрытия

метки: Усиление, Железобетонный, Конструкция, Польский, Маилянин, Строительный, Бетон, Технико

Технико-экономическое сравнение вариантов усиления железобетонных балок перекрытия

Ю.А. Земляков, А.Ю. Кубасов

Донской государственный технический университет,

Ростов-на-Дону

Аннотация: В данной статье рассмотрены варианты усиления несущих строительных конструкций и произведены поверочные расчёты на несущую способность с учётом дополнительных нагрузок. Произведено технико-экономическое сравнение вариантов усиления по следующим показателям: масса элементов усиления; стоимость основных материалов, необходимых для усиления; трудоёмкость и стоимость изготовления; трудоёмкость и стоимость выполнения работ по усилению. Анализ вариантов усиления несущих строительных конструкций может помочь в выборе способа усиления несущей способности железобетонных изгибаемых элементов.

Ключевые слова: бетон, несущая способность, железобетон, конструкции, арматура, постоянная нагрузка, прочность, эксплуатационная надёжность, деформации, усиление.

конструкция несущий усиление

При строительстве и эксплуатации зданий и сооружений часто наблюдаются повреждения строительных конструкций, снижающие прочность, устойчивость, долговечность и эксплуатационную надёжность как всего сооружения в целом, так и отдельных его частей. Повреждения являются следствием различных дефектов и нарушений, допущенных при инженерно-геологических изысканиях на площадке строительства, проектировании сооружения, изготовлении строительных материалов и деталей, строительно-монтажных работах, эксплуатации, а также в экстремальных ситуациях (при пожаре, взрыве, наводнении).

Для обеспечения достаточной прочности, устойчивости зданий и сооружений, возможности их дальнейшей нормальной эксплуатации, а также при реконструкции, когда это связано с необходимостью увеличения нагрузок на существующие конструкции, необходимо усилить повреждённые конструкции (СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003).

Своевременное и правильное усиление строительных конструкций позволяет резко уменьшить затраты, продлить срок службы зданий и сооружений или предотвратить аварии и обрушения [1,4].

Конструкции усиления проектируют с использованием различных материалов: металла, железобетона, композитов, реже из каменной кладки, древесины и полимеррастворов [5,6,8].

Абсиметов. Усиление строительных конструкций зданий и сооружений ...

... работ по усилению сооружения. Здесь важно учитывать, что применение огнеупорных материалов увеличивает сечение металла. При этом металлические конструкции в ... по усилению несущих конструкций может оказаться необходимым не только старым зданиям, но и новым постройкам. Потребность в усилении новых зданий может возникать чаще всего вследствие допущения ошибок в процессе выполнения строительно ...

Для правильного выбора способа усиления и восстановления конструкций зданий и сооружений необходимо установить причины, вызвавшие повреждения. Для этого необходимо произвести натурное визуальное или инструментальное обследование, тщательно уточнить действующие нагрузки и определить фактическую прочность материалов конструкций (кладки, бетона, арматуры и т. п.).

С учётом полученных при обследовании данных выполняется поверочный расчёт фактической несущей способности конструкций, в котором учитывается влияние имеющихся повреждений (СП 13-102-2003. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений).

По результатам расчёта определяются степень повреждения конструкций и необходимость временного крепления или постоянного их усиления.

Существующие традиционные способы усиления железобетонных конструкций являются трудоёмкими. В отдельных случаях для выполнения усиления необходимо применять достаточно громоздкое оборудование и оснастку (установка лесов, кранового оборудования), а в некоторых случаях даже остановить эксплуатацию сооружения. С другой стороны, они могут быть достаточно простыми в выполнении, что не потребует высоко квалифицированных рабочих, в отдельных случаях есть возможность значительно повысить первоначальную несущую способность усиливаемых конструкций [2,3,7,10].

Отдельно можно выделить способ усиления железобетонных конструкций с применение композитных материалов [12].

Он обладает рядом преимуществ, таких как значительное усиление конструкции, малый вес материала и возможность быстрого монтажа. В свою очередь главным недостатком данного способа является высокая стоимость материала [9,11].

Способы усиления и восстановления поврежденных конструкций зданий и сооружений в значительной степени могут отличаться по технико-экономическим показателям и удобству выполнения, вследствие чего их правильный выбор в каждом конкретном случае является чрезвычайно важным.

Вариант 1. Усиление ригеля междуэтажного перекрытия с помощью предварительно-напряженных затяжек

Расчет произведен по результатам обследования технического состояния строительных конструкций здания.

В качестве предварительно-напряженных затяжек принимаем стержневую арматуру 2Ш18А500.

Рис. 1. — Сечение элемента до и после усиления

Приводим фактическую площадь сечения к площади рабочей арматуры балки класса А400.

(1)

где: RS — расчетное сопротивление арматуры класса A500;

• RS(A400) — расчетное сопротивление арматуры класса A400;
• Az — площадь арматуры, применяемой в качестве затяжек.

2. Вычисление приведенной высоты сечения

(2)

где AS — площадь продольной арматуры ригеля;

• Azn — приведенная площадь продольной арматуры с учетом затяжек;
• h0 — рабочая высота сечения;
• hoz — приведенная высота сечения с учетом введения в конструкцию ригеля затяжек;
• гb2 — коэффициент, учитывающий длительность действия нагрузки;
• b — ширина расчетного сечения.

3. Определение высоты сжатой зоны бетона, усиленная затяжками

Методы усиления деревянных конструкций

... или гвоздей дополнительные бруски или доски. Усиление деревянных арок и рам зависит от вида конструкции и характера обнаруженных дефектов. Наиболее простым способом усиления гнутых арок из нескольких слоев ... дополнительных подкосов, а в случае ее отсутствия — второй по высоте затяжкой или шпренгелем. Рис 10. Усиление деревянных 1-усиливаемые стропила: 2-новые стропила; 3-подкос; 4-шпренгель. ...

(3)

где RS — расчетное сопротивление продольной арматуры растяжению;

• AS — площадь продольной арматуры в ригеле;
• Azn — приведенная площадь продольной арматуры с учетом затяжек;
• Rb — расчетное сопротивление бетона на сжатие;
• гb2 — коэффициент, учитывающий длительность действия нагрузки;
• b — ширина расчетного сечения.

(4)

4. Проверка ограничения, которое накладывается на высоту сжатой зоны изгибающих элементов

(5)

щ — характеристика сжатой зоны бетона;

5. Определение относительной высоты сжатой зоны:

(6)

где ?SR — напряжение в арматуре (МПа), принимаемое для данного класса, в нашем случае ?SR = RS;

• ?SC,U — предельное напряжение в арматуре сжатой зоны.

т.к., о = 0,388 <оR = 0,626, условие выполняется.

6. Определение момента способного выдержать сечением

(7)

значит, действующая нагрузка будет воспринята конструкцией и положение затяжек оставляем без изменений

7. Определение усилия необходимого для предварительного натяжения затяжек

Данное усилие определяется исходя из следующего отношения:

(8)

Определяем необходимую величину предварительного напряжения затяжек:

Усилие необходимое для натяжения затяжек будет равно:

?n= 0,492?Rsn =0,492?590 =290,28 МПа,

где Rsn =590 МПа — нормативное сопротивление арматуры растяжению.

Вариант 2. Запроектировано усиление из углепластика компании SIKA AG (Switzerland) со следующими характеристиками:

• ѕ модуль упругости Еf = 170000 МПа;
• ѕ прочность Rf = 3100 МПа;
• ѕ ширина b = 350 мм;
• ѕ толщина tf = 1,2 мм;
• ѕ количество слоев, n = 2;
• ѕ растянутая арматура А400, площадь сечения As = 452 мм2 (4Ш12);
• ѕ сжатая арматура А240, площадь сечения Aґs = 236 мм2 (3Ш10).

Для балки при расчете были установлены объем материалов, стоимость углепластика и арматуры:

ѕ А400(Ш 12) вес арматуры равен 33,4 кг. Стоимость 816 рублей.

ѕ А240(Ш 10) вес арматуры равен 1,5 кг. Стоимость 486 рублей.

ѕ Углепластик SikaCardoDur512 — S = 11,33 м2, стоимость 27 873 руб.

Вариант усиления балки с устройством дополнительной центральной опоры с усилением напряжёнными стержнями целесообразен для зданий, где есть необходимость разделения общей площади на отдельные помещения.

Вариант усиления путем устройства дополнительных затяжек для растянутых элементов целесообразен в случаях, когда не требуется значительное усиление, существует необходимость быстрого ввода конструкции в эксплуатацию и когда необходимо сохранить полезный объём здания.

Технико-экономическое сравнение вариантов усиления

Сравнение вариантов усиления производится по следующим показателям: масса элементов усиления; стоимость основных материалов, необходимых для усиления; трудоёмкость и стоимость изготовления; трудоёмкость и стоимость выполнения работ по усилению.

Технико-экономические показатели представлены в таблице № 1.

Анализируя показатели, представленные в таблице, можно сделать следующие выводы: в случае усиления с использованием стекловолокна затраты получатся сопоставимы с другими способами, это обусловлено тем, что стекловолокно самый дешевый композитный материал, но, если использовать в качестве усиления углеволокно, затраты возрастут более чем в 2 раза, при таком же объёме материалов. Также можно отметить малый вес данного способа и малые затраты на оплату работ по усилению.

Таблица № 1

Технико-экономические показатели способов усиления

№ п/п	Технико-экономические показатели	Способ усиления
		Усиление стекло-плас-тиком	Усиление жёсткой опорой с дополни-тельны-ми затяж-ками	Усиление балки подведе-нием упругой опоры	Усиление балки композитным материалом
1	Вес конструкции усиления, кг	18	235*	201	24
2	Норма затрат труда рабочих на изготовление конструкции усиления, чел.-ч	—	15,08	14,7	1,52
3	Норма затрат труда рабочих на монтаж конструкции усиления, чел.-ч.	63,25	75,37	71,11	7,5
4	Нормы затрат машинного времени, маш.- ч.	7,94	2,16	2,02	—
5	Продолжительность выполнения монтажа конструкций усиления, ч.	29,5	28,9	23,68	7,0
6	Заработная плата рабочих, руб.	566,79	2543,96	1896,33	1156,24
7	Заработная плата механика, руб.	371,03	121,60	115,43	—
8	Стоимость материала, руб.	15701,8	11770,4	8511,1	29175,1
9	Общие затраты, руб.	16639,68	14435,93	10522,86	30331,24
	Примечание: * — в вес конструкций усиления не включены колонна и бетон замоноличивания колонны в стакан фундамента.

Данный метод является самым продолжительным, т.к. требует больше времени на подготовку бетона перед усилением.

Усиление затяжками является самым быстрым по времени выполнения монтажа, т.к. основная часть работ, связанная с изготовлением металлоконструкций, выполняется за пределами здания и не требует применения техники.

Литература

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/usilenie-jelezobetonnyih-balok/

1. Клюев С.В., Гурьянов Ю.В. Внешнее армирование изгибаемых фибробетонных изделий углеволокном // Инженерно-строительный журнал. — 2013. — №1 (36).

— С. 21 — 26.

2. Кубасов А.Ю., Маилян Д.Р. К вопросу закрытия технологических трещин в железобетонных фермах с комбинированным преднапряжением арматуры // Научное обозрение. — 2015. — №10. — С. 170 — 172.

3. Маилян Д.Р., Кубасов А.Ю. К вопросу обеспечения устойчивости арматурных стержней при их предварительном сжатии // Научное обозрение. — 2015. — №10. — С. 173 — 176.

4. Польской П.П., Маилян Д.Р. Композитные материалы — как основа эффективности в строительстве и реконструкции зданий и сооружений // Инженерный вестник Дона, 2012, №4 (часть 2), URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1307.

5. Польской П.П., Хишмах Мерват, Михуб Ахмад. К вопросу о деформативности балок из тяжелого бетона, армированных стеклопластиковой и комбинированной арматурой // Инженерный вестник Дона, 2012, №4 (часть 2), URL: ivdon.ru/ magazine/archive/n4p2y2012/1308.

6. Польской П.П., Маилян Д.Р., Мерват Хишмах, Кургин К.В. О деформативности изгибаемых элементов из тяжелого бетона при двухрядном расположении углепластиковой и комбинированной арматуры // Инженерный вестник Дона, 2013, №4, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2094.

7. Польской П.П., Георгиев С.В. Вопросы исследования сжатых железобетонных элементов, усиленных различными видами композитных материалов // Инженерный вестник Дона, 2013, №4, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2134.

8. Маилян Д.Р., Польской П.П. Прочность и деформативность вновь усиленных композитными материалами балок, при различных варьируемых факторах // Инженерный вестник Дона, 2013, №2, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1676.

9. Маилян Д.Р., Польской П.П., Георгиев С.В. Методики усиления углепластиком и испытания коротких и гибких стоек // Научное обозрение, 2014, №10, ч.2. С. 415-418.

10. Mailyan, D., Kubasov, A., Mailyan, L. Ecological-Economic and Technical Advantages of Reinforced Concrete Girders with Combined Reinforcement/MATEC Web of Conferences. 2016. // URL: matec-conferences.org/articles/matecconf/abs/2016/36/matecconf_tpacee2016_04019/matecconf_tpacee2016_04019.html .

11. Mailyan, D., Mailyan, L. Ecologically Safe and Techno Economically Efficient Reinforced Concrete Constructions of Equal Resistance // MATEC Web of Conferences. 2016. // URL: matec-conferences.org/articles/matecconf/abs/2016/36/matecconf_tpacee2016_04020/matecconf_tpacee2016_04020.html .

12. Polskoy, P.P., Mailyan, D.R., Dedukh, D.A., Georgiev, S.V. Design of reinforced concrete beams in a case of a change of cross section of composite strengthening reinforcement // Global Journal of Pure and Applied Mathematics. 2016. V. 12. № 2. pp. 1767-1786.

References

1. Klyuev S.V., Guryanov YU.V. Inzhenerno-stroitelnyj zhurnal. 2013. №1 (36), pp. 21-26.

2. Kubasov A.YU., Mailyan D.R. Nauchnoye obozreniye. 2015. №10, pp. 170-172.

3. Mailyan D.R., Kubasov A.YU. Nauchnoye obozreniye. 2015. №10, pp. 173 — 176.

4. Pol’skoy P.P., Mailyan D.R. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №4 (chast’ 2).

URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1307.

5. Pol’skoy P.P., Khishmakh Mervat, Mikhub Akhmad. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2012. №4. URL: ivdon.ru/ magazine/archive/n4p2y2012/1308.

6. Pol’skoy P.P., Mailyan D.R., Mervat Khishmakh, Kurgin K.V. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2094.

7. Pol’skoy P.P., Georgiyev S.V. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2134.

8. Mailyan D.R., Pol’skoy P.P. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1676.

9. Mailyan D.R., Pol’skoy P.P., Georgiyev S.V. Nauchnoye obozreniye, 2014, №10, pp. 415-418.

10. Mailyan, D., Kubasov, A., Mailyan, L. MATEC Web of Conferences. 2016. URL: matec-conferences.org/articles/matecconf/abs/2016/36/matecconf_tpacee 2016_04019/matecconf_tpacee2016_04019.html .

11. Mailyan, D., Mailyan, L. MATEC Web of Conferences. 2016. URL: matec-conferences.org/articles/matecconf/abs/2016/36/matecconf_tpacee2016_04020/ matecconf_tpacee2016_04020.html .

12. Polskoy, P.P., Mailyan, D.R., Dedukh, D.A., Georgiev, S.V. Global Journal of Pure and Applied Mathematics. 2016. V. 12. № 2, pp. 1767-1786.