Методы усиления бетонных колонн

С момента своего появления в коммерческом строительстве в 1980-х годах использование систем из армированного волокном полимера (FRP) для усиления / модернизации железобетона и других конструкций резко возросло: от нескольких ранних экспериментальных проектов до того, что в настоящее время они являются предпочтительным материалом для многих ремонтных работ. проекты. Методы усиления FRP приобрели популярность благодаря простоте установки (особенно в жилых помещениях), минимальному воздействию на внешний вид и геометрию конструкции, экономичности и другим преимуществам. В Европе, Японии, Канаде и Соединенных Штатах продолжается разработка норм и стандартов для внешних систем FRP. В Соединенных Штатах публикации и стандарты, касающиеся процедур проектирования FRP для железобетона, по-прежнему ограничены руководящими принципами, такими как ACI 440.2R Американского института бетона, Руководство по проектированию и строительству систем FRP с наружным приклеиванием для усиления бетонных конструкций. Они не были включены в действующие строительные нормы и правила. Таким образом, процессы проектирования и обеспечения качества для усиления FRP остаются за группами консультантов и местными юрисдикциями для отдельных проектов.

Дизайн

Детализация FRP для усиления конструкции является специализацией и в некоторой степени зависит от продукта, выбранного подрядчиком. Таким образом, зарегистрированный инженер-строитель проекта (SEOR) обычно делегирует объем проектирования FRP стороннему инженеру, работающему с производителем продукта и подрядчиком по установке, для разработки проекта FRP в соответствии с критериями эффективности проекта. Тем не менее, даже при таком делегировании ответственности за проектирование общая целостность структурного проекта лежит на SEOR. Следовательно, они должны поддерживать достаточное понимание конструкции армирования FRP с внешней связью, различных систем FRP, доступных на рынке, и их ограничений. Эти знания помогают SEOR определить осуществимость FRP в их проекте и предоставить четкую информацию в своих документах относительно требований к характеристикам конструкции FRP. Тем не менее, отсутствие общепринятых стандартов привело к значительным различиям в методах определения и обозначения требований к усилению FRP в строительных документах.

Некоторые делегированные элементы конструкции, такие как системы ограждений или системы фасадов и облицовки зданий, не зависят от конструкции основного здания, за исключением креплений, и не требуют значительного участия SEOR, кроме предоставления критериев производительности и анализа нагрузок, воздействующих на конструкцию основного здания. С другой стороны, делегированные элементы конструкции, такие как соединения конструкционной стали и арматура с последующим натяжением, становятся частью основной конструктивной системы, напрямую влияя на несущую способность конструкции и ее эксплуатационные характеристики. Точно так же, поскольку конструкция усиления из FRP, связанного снаружи, представляет собой структурное усиление, для обеспечения успеха проекта требуется значительный вклад и участие SEOR в процессе проектирования. Рекомендуемые обязанности инженера-специалиста по SEOR и FRP для проекта по усилению FRP изложены в Таблица 1.

Таблица 1. Рекомендуемое распределение обязанностей.

В качестве первого шага рекомендуется, чтобы, прежде чем определять внешнюю арматуру из FRP в качестве жизнеспособного решения для усиления бетонных конструкций, SEOR должен рассмотреть возможность проведения технико-экономического обоснования, включая следующие шаги:

a) Элемент конструкции, подлежащий усилению, должен быть проанализирован и проверен на способность выдерживать минимальные новые нагрузки без вклада FRP в соответствии с ACI 440.2R Раздел 9.2: 1.1 Постоянная нагрузка + 0.75 динамическая нагрузка (используйте 1.0, если устойчивая динамическая нагрузка).

b) Элементы конструкции, подлежащие усилению, должны быть проанализированы и проверены на способность выдерживать минимальные нагрузки с учетом снижения прочности стали и бетона в случае пожара (без вклада FRP) в соответствии с методологией ACI 216.1: 1.0 Постоянная нагрузка + 1.0 Постоянная нагрузка.

c) Подтвердите, что существующая прочность бетона на сжатие выше 2,500 фунтов на квадратный дюйм (необходимый минимум для надлежащего склеивания систем FRP). Если существующие чертежи недоступны для подтверждения этой информации, рекомендуется провести испытания образцов керна.

d) Проверьте состояние существующей конструкции и подтвердите, что прочность бетона на растяжение составляет не менее 200 фунтов на квадратный дюйм (необходимый минимум для надлежащего склеивания систем FRP). Если вы не уверены, проведите тест отрыва.

В дополнение к этому обзору структурной осуществимости настоятельно рекомендуется, чтобы SEOR обсудил с архитектором проекта и должностным лицом здания местной юрисдикции, чтобы подтвердить согласие на использование FRP для предлагаемого приложения и любые требования к противопожарной защите, которые могут возникнуть. Как отмечалось ранее, включение усиления FRP в проектные и строительные нормы и правила все еще развиваются. Таким образом, раннее понимание позиции местной юрисдикции в отношении этого метода укрепления важно, чтобы избежать разрешений и других проблем.

Рисунок 1. Пример схематического плана компоновки FRP для усиления плиты на изгиб.

После подтверждения осуществимости следующей задачей для SEOR является включение критериев укрепления FRP в заявку, чертежи разрешения и другие строительные документы. Современные методы передачи этих критериев значительно различаются. Для максимального понимания проектным замыслом и применением FRP инженера по специальности FRP рекомендуется следующее:

Рисунок 2. Типичная секция усиления на изгиб FRP.

a) Предоставить схематичный план компоновки, показывающий области/элементы, требующие внешнего армирования FRP, с типичными деталями, разъясняющими замысел проекта делегированному инженеру-проектировщику (Рисунок 1 и Рисунок 2).

Таблица 2. Пример графика FRP для укрепления плиты на изгиб.

b) предоставить делегированному инженеру-конструктору достаточную информацию о существующих свойствах конструкции, необходимую для выполнения соответствующих расчетов. Табличная схема графика FRP для требований к конструкции арматуры FRP, как показано на Таблица 2, где показан пример усиления плиты на изгиб, обычно рекомендуется сообщать критерии в тендерных документах. Аналогичная схема может быть применена к другим применениям усиления конструкции. Информация, которая должна быть предоставлена, когда она доступна, включает:

Прочность бетона на сжатие
Геометрические свойства конструктивных элементов (толщина плиты, полезная ширина и т. д.)
Существующие армирующие детали, включая расчетную глубину и марку стали
Требования к расчетной прочности (например, требуемый коэффициент допустимого момента и рабочие моменты для усиления на изгиб)

Строительство и гарантия качества

Как и в случае с другими предлагаемыми конструкционными системами по проекту, SEOR также отвечает за определение в документах по строительству/разрешениям требований к специальным проверкам и испытаниям для установки FRP во время строительства. Это может быть сложной задачей, поскольку нормы и стандарты не содержат подробностей относительно критериев проверки и испытаний FRP. Согласно Международный строительный кодекс (IBC) Глава 17, Требуемые специальные проверки и испытания, усиление FRP, вероятно, будет считаться «особым случаем» в соответствии с Разделом 1705.1.1, когда требования диктуются должностным лицом по строительству и/или профессиональным проектировщиком. Отсутствие подробных стандартов часто приводит к тому, что SEOR предоставляет либо слишком мало, либо слишком избыточную информацию о требованиях к проверке и тестированию FRP в своих документах. Это может привести к минимальному надзору за качеством установки FRP.

Таблица 3. Возможные программы проверок.

Руководство ACI 440.2R содержит длинный список рекомендаций относительно программы обеспечения качества и контроля качества для установки FRP. Руководство рекомендует, чтобы SEOR ознакомился с этими рекомендациями и выбрал программу в зависимости от типа проекта, масштаба и т. д., а также обеспечил полноту сторонних отчетов об инспекциях. Ниже приведены рекомендуемые шаги для программы проверки и тестирования FRP, сводка которых приводится в Таблица 3:

Инспекция хранения материалов и проверка данных о продукте, включая тестирование материалов и отбор проб.
Проверка макета на месте и общие наблюдения за существующими условиями.
Проверка подготовки поверхности и проверка прочности бетонного основания на сжатие и растяжениеn проверить, обеспечена ли надлежащая шероховатость поверхности, обработаны ли трещины в соответствии с требованиями производителя, устранены ли дефекты или препятствия и т. д. Рассмотрите возможность проведения испытаний подготовленной поверхности для подтверждения адекватной прочности на растяжение.
Наблюдение за процедурой установки FRP включая пропитку ткани, грунтовку, нанесение эпоксидной смолы на подложку и отделку.
Установленная проверка FRP – исправлена проверка FRP на наличие любых дефектов, таких как пузыри, поврежденные волокна FRP и т. д., и рекомендован ремонт в любых дефектных местах установки.
Заключительные проверки – Испытания установленного стеклопластика на растяжение и проверка противопожарной защиты (при необходимости).

Выводы

Армирование FRP обычно считается дополнительным армированием вместо основного армирования, такого как мягкая сталь или встроенные тросы с пост-натяжением. Следовательно, предельные значения усиления, установленные в соответствии с рекомендациями ACI 440, гарантируют, что неусиленная базовая конструкция имеет достаточную способность временно выдерживать возложенные нагрузки без разрушения в случае вандализма, случайного повреждения арматуры FRP или в случае пожара до тех пор, пока не будет установлена дополнительная арматура. отремонтирован/переустановлен. Однако противопожарная защита систем FRP является сложной темой для обсуждения, которая не рассматривается в этой статье. Требования к противопожарной защите должны быть обсуждены с местными органами власти и должным образом предоставлены для удовлетворения их требований.

Также крайне важно, чтобы после успешной установки системы FRP руководство и владелец были осведомлены о наличии армирования FRP и чтобы были предприняты шаги для обеспечения того, чтобы любые будущие дополнения или модификации случайно не повредили армирование FRP.

Композитные системы FRP с наружным приклеиванием представляют собой одно из наиболее эффективных решений для усиления бетонных конструкций. В то время как коммерческое строительство в подавляющем большинстве принимает использование FRP, работа над созданием норм и стандартов, касающихся проектирования, проверки и испытаний, все еще продолжается. Следуя рекомендациям, полученным в результате технико-экономических обоснований, координация во время проектирования и определение критериев контроля/испытаний поможет обеспечить бесперебойный процесс на каждом этапе проекта по усилению FRP.■

Методы усиления бетонных колонн

Усиление колонн — это процесс, используемый для добавления или восстановления предельной несущей способности железобетонных колонн. Он используется для сейсмической модернизации, поддерживая дополнительную временную или стационарную нагрузку, не включенную в первоначальный проект, для снятия напряжений, вызванных ошибками проектирования или строительства, или для восстановления первоначальной несущей способности поврежденных элементов конструкции. Существует несколько методов, которые используются для усиления железобетонных колонн, таких как железобетонная оболочка, стальная оболочка и ограничение или оболочка из FRP.

Когда необходимо усиление железобетонной колонны?

Нагрузка, которую несет колонна, увеличивается либо из-за увеличения этажности, либо из-за ошибок в проектировании.
Прочность бетона на сжатие или процент и тип армирования не соответствуют требованиям норм.
Наклон колонны больше допустимого.
Осадка в фундаменте больше допустимой.

Методы усиления железобетонных колонн

Существует три основных метода усиления железобетонных колонн, которые обсуждаются ниже:

1. Железобетонная оболочка

Это один из методов, используемых для улучшения или восстановления прочности железобетонной колонны. Размер кожуха, а также количество и диаметр стальных стержней, используемых в процессе кожухования, зависят от структурного анализа, проведенного для колонны.

Процесс железобетонной оболочки

Сначала уменьшите или временно устраните нагрузки на колонны, если это необходимо. Для этого между этажами ставят механические домкраты и дополнительные подпорки.
После этого, если обнаружится коррозия арматуры, снимите защитный слой бетона и очистите стальные стержни с помощью проволочной щетки или песочного компрессора.
Затем покройте стальные стержни эпоксидным материалом, который предотвратит коррозию.
Если снижение нагрузки и очистка арматуры не требуются, процесс облицовки начинается с добавления стальных соединителей в существующую колонну.
Стальные соединители добавляются в колонну, делая отверстия на 3-4 мм больше диаметра используемых стальных соединителей и глубиной 10-15 см.
Расстояние между новыми стременами куртки как по вертикали, так и по горизонтали не должно превышать 50 см.
Заполнение отверстий соответствующим эпоксидным материалом, затем вставка соединителей в отверстия.
Добавление вертикальных стальных соединителей для крепления вертикальных стальных стержней кожуха, следуя той же процедуре, что и в шагах 5 и 6.
Установка новых вертикальных стальных стержней и хомутов кожуха согласно проектным размерам и диаметрам.
Покрытие существующей колонны соответствующим эпоксидным материалом, который гарантировал бы связь между старым и новым бетоном.
Заливка кожуха бетоном до высыхания эпоксидного материала. Используемый бетон должен быть малоусадочным и состоять из мелких заполнителей, песка, цемента и дополнительных материалов для предотвращения усадки. Этапы железобетонной оболочки показаны на рис. 1.

Рис. 1: Увеличение площади поперечного сечения колонны с помощью железобетонной оболочки

2. Стальная оболочка

Этот метод выбирают, когда нагрузки, прикладываемые к колонне, будут увеличены, и в то же время не допускается увеличение площади поперечного сечения колонны.

Процесс стальной оболочки

Снятие бетонного покрытия.
Очистка стальных стержней арматуры с помощью проволочной щетки или песочного компрессора.
Покрытие стальных стержней эпоксидным материалом, который предотвратит коррозию.
Установка стального кожуха необходимого размера и толщины в соответствии с проектом и проделывание отверстий для заливки эпоксидного материала, гарантирующего необходимую связь между бетонной колонной и стальным кожухом.
Заполнение пространства между бетонной колонной и стальным кожухом соответствующим эпоксидным материалом.

Рис. 2: Увеличение площади поперечного сечения колонны за счет стальной оболочки

В некоторых случаях, когда колонна должна выдерживать изгибающий момент и успешно передавать его через перекрытия, следует установить стальной хомут на шейке колонны с помощью болтов или подходящего связующего материала.

Рис. 3: Колонна, усиленная стальными уголками