Възстановяване и усилване на сгради и съоръжения

Колкото и добре да са поддържани една сграда или едно съоръжение, с течение на времето в носещите и в неносещите елементи на конструкциите им започват да се появяват повреди. Те могат да бъдат провокирани от корозионни процеси, от неправилна експлоатация, от завишаване на натоварванията, от сеизмични въздействия. След задължително обследване и оценка на състоянието на конструкциите нерядко възниква необходимостта от усилване на отделни елементи или структури.

Една от спецификите на стоманобетонните конструкции е, че те неминуемо участват в поемането на сеизмични сили. В тази светлина обследването обикновено обхваща и елементи, които може да не са предназначени за поемане на технологични товари, но чието разрушаване при земетръс може да причини големи щети и жертви.

Има случаи, при които се осъществяват подобни интервенции, не защото има данни за недостатъчна сигурност към момента на проучването, а защото се налага удовлетворяване на нормативни изисквания или други причини, свързани с бъдещето на сградата, но те засега няма да бъдат разглеждани.

Преди да се предприемат строителни дейности по възстановяване и усилване, независимо дали става дума за стоманени или стоманобетонни конструкции, основните стъпки са едни и същи - проучва се състоянието на съществуващата конструкция, определя се носещата є способност, установява се каква е необходимостта от възстановяване или усилване, избира се начин на работа, изчислява се структурата и едва тогава се пристъпва към изпълнение на проекта. Задълбоченото обследване при всеки проблемен случай е предпоставка за адекватните мерки впоследствие. Събират се наличните данни относно геоложки проучвания, проектиране, изпълнение и използване на обекта. Установяват се конструктивната схема и натоварванията, които са въздействали на конструкцията във времето. Измерват се геометричните размери на носещите елементи. Съпоставят се, ако има налична документация, реалните параметри с проектните - измерените размери, материалите, самото изпълнение. Определят се характеристиките на бетона, видът и количеството на армировката. Прави се подробен оглед на цялостното състояние на съоръжението. За всички носещи или значими елементи се прави схема на наличните повреди и се описват пораженията - място и размери на пукнатини, разрушения в бетона, корозия, скъсване или изкълчване на армировка, и т.н.

В резултат на установените дефекти и проведените контролни изчисления, а в някои случаи - и изпитвания, може да се даде техническо становище за състоянието на конструкцията и носещата є способност, като особено внимание се обръща на наличните резерви по отношение на носимоспособността. Намирането и обосноваването на резервите в носещата способност позволяват да се намали работата по усилване на конструкцията, а в много случаи се доказва, че усилване не е необходимо. Тогава ремонтните дейности се съсредоточават само върху възстановяването.

Основни методи за удължаване живота на стоманобетонната конструкция
Изборът на метод за възстановяване или усилване е пряко следствие от проведените изследвания на конкретната конструкция. Възстановяване се прилага, когато повредите не са съществени. При конструктивните елементи се отчитат занижени първоначални качества, но няма значимо изменение на тяхната носеща способност и коравина. Такива повреди са нормалните или наклонени пукнатини, шупли, смачкан бетон, изкълчена или скъсана надлъжна армировка или скъсани стремена, нарушено сцепление. Възстановяването се извършва главно по три способа - запълване на пукнатини, торкретиране, реконструиране на компрометираната част от елемента.

Усилване се прилага, когато е неизбежно същественото повишаване на сигурността на конструкцията. Усилването е насочено и към повишаване на носещата способност на отделните елементи, и към цялостното поведение на сградата или съоръжението. При елементите може да бъде установена липса на достатъчна носеща способност при срязване и при огъване, както и недостатъчна дуктилност. Разглеждана в своята цялост, конструкцията може да покаже недостатъчен деформационен капацитет, коравина на усукване, опасна нерегулярност в план или по височина, и като следствие - възможен нежелан механизъм на разрушение. Усилването се извършва основно по четири направления - стоманобетонен кожух, стоманено обрамчване, покритие от FRP (композитен материал на основата на полимер, усилен с фибри), добавяне на нови елементи.

Възстановяване на елементите на носещата стоманобетонна конструкция
В зависимост от размерите на дефектите, вида на елементите и експлоатационните изисквания, за възстановяване на непрекъснатостта на стоманобетона се използват различни циментни или полимерни разтвори и епоксидни смоли. Ще подчертаем още веднъж, че възможните начини за възстановяване са пряко обвързани с проявените дефекти и повреди. Европейският съюз въведе серия стандарти EN 1504, с които се дефинират продуктите и основните принципи за използването им при ремонт на стоманобетон. Най-общо леките повреди, при които се извършва възстановяване, могат да се разделят на повреди в бетона и дефекти поради корозия на армировката. И в двата случая при ремонта се използва нанасяне на цименто-пясъчни разтвори, повторно изливане на бетон или разтвор, както и торкретиране - работи се основно съгласно принципа за възстановяване на бетона. За постигане на търсените резултати от особено значение е осигуряването на съвместната работа на старите и новите пластове и елементи в конструкцията. От особено значение е правилният подбор на материалите и технологията на полагането им. Трябва да се гарантира първоначалното почистване и обработване на повърхностите за ремонт - разрушеният и ронещ се бетон трябва да се отстрани, след което повърхността да се почисти и при необходимост да се награпави допълнително. Непосредствено преди бетонирането повърхността се продухва с въздух под налягане и се навлажнява. При полагане на допълнителни пластове дебелината им трябва да се постига без свличане на материала, а самите материали трябва да задоволяват и допълнителните изисквания за защита след приключване на ремонта. Често за осигуряване на връзката със съществуващата конструкция се предвижда армировка, която се заварява към наличната. При възстановяване на армировка, новите пръти трябва да са в състояние да поемат усилието от съществуващите, с които се свързват. Почистването винаги е задължително - и на повредения бетон, и на армировката от ръжда. Когато връзката между стара и нова конструкция се осигурява чрез дюбели от армировъчна стомана, тя трябва да бъде оребрена.

Само за обща представа ще дадем няколко примера как повредата се обвързва с ремонта. При констатирани повреди в бетона вследствие на механично въздействие - удари, свръхнатоварване, вибрации, земетръс и др., обикновено се следват принципите за възстановяване на бетона и структурно укрепване. При физическо въздействие - цикли на замръзване и размразяване, съсъхване, абразия и др., подходящите принципи са защита срещу проникване, контрол на влагата, възстановяване на бетона, структурно укрепване и физична устойчивост. Да не се забравя, че разрушенията в бетона могат да бъдат и вследствие на повреди в армировката. Замяната на отделни участъци отново трябва да е съобразена с последващото възстановяване на бетона. При нарушено сцепление на армировъчните пръти с бетона първоначално се отваря достатъчно пространство около армировката, което се почиства и обезпрашава, и тогава се инжектира материалът за възстановяване.

Изборът на материали и технологии при всички техники за възстановяване или усилване е обусловен от една цел - ако се стигне до разрушение на сечението, това да стане преди разрушението на връзката между съществуващия и новия материал. На пръв поглед всичко това звучи лесно и просто за изпълнение, но всъщност е много важно да е обусловено от задълбоченото проучване и оценка на състоянието на стоманобетонната конструкция!

Усилване на елементите на носещата стоманобетонна конструкция
След елементарното възстановяване на непрекъснатостта на стоманобетонните елементи, премахване на нарушени части и заместването им с нови материали, идва ред на усилването на отделни конструктивни елементи, докато се стигне до усилване на строителните конструкции чрез вграждане на нови конструктивни елементи, както и комбинации от изброените възможности.

Един класически начин за усилване, при който се повишава и носещата способност, е чрез увеличаване на напречното сечение на елементите с добавяне на нови материали. Използват се стоманени плочи и профили, армировъчни пръти, циментни или полимерни разтвори и бетони, торкретни разтвори.

Стоманобетонният кожух увеличава носещата способност и коравината и на елементите, и на цялата конструкция. Той е много ефективен при колони, греди и рамкови възли, особено когато има възможност да бъде изпълнен напълно затворен. Бетонната смес трябва да бъде течна или течно-пластична, с подбрана зърнометрия, добавки и правила за уплътняване. Тъй като използваният материал е един и същ за стари и нови участъци, съвместната работа се постига без проблеми. Това е и начин в някои случаи дори да се постигне подобряване на регулярността на конструкцията. Недостатъците са: нужда от използване на кофраж, пробиване на голям брой отвори за реализиране на връзка нов-стар бетон, голяма продължителност на работите.

Стоманобетонната доливка е най-лесният начин за усилване на кръстосано армирани плочи. Пак ще наблегнем на значението на добрата връзка на срязване между съществуващ и нов бетон. Тя може да се осъществи чрез стоманени или стоманобетонни дюбели, както и с предлаганите на пазара фирмени системи. При всички положения контактната повърхност трябва да се почисти и награпави предварително.

Стоманен или стоманобетонен допълнителен елемент се използва при усилване на еднопосочни полета, за да се намалят отворите им. Внимание - ако се избере решение с допълнителна опора - хоризонтален елемент, трябва да се има предвид промяната на статическата схема. Това важи и за усилването на гредите. Подпорното разстояние може да бъде намалено чрез увеличаване размера на колоните или чрез добавяне на нови вертикални елементи, с последващо преосмисляне на статическата схема.

Пръскан бетон се използва за полагане на слоеве с малка дебелина по вертикални повърхности и тавани. Обичайно се торкретират площни елементи, но технологията може да се използва и за колони и греди. При торкретирането не е необходим кофраж, получава се добра адхезия със съществуващата повърхност поради енергията на удара при пръскане и не се налага добавяне на пластификатори. В процеса на полагане се губи определено количество материал, но може би най-същественият недостатък на торкретирането е голямото съсъхване.

Стоманеният кожух се използва често за усилване на колони с недостатъчна напречна армировка или дължина на снаждане на надлъжната армировка. Стоманеният кожух тип "решетка" представлява четири ъглови профила, залепени с епоксидно лепило или свързани чрез стоманени дюбели към съществуващата стоманобетонна колона, и съединени помежду им със заварени през определено разстояние стоманени планки. При кожуха тип "тръба" към ъгловите профили се заваряват стоманени листове, или стоманените листове се заваряват направо един за друг, а пространството между "тръбата" и съществуващата колона, в зависимост от ширината му, се запълва с циментопясъчен разтвор или с бетон.

Стоманените листове ефективно усилват плочи и греди. Приложена на правилните места, листовата стомана увеличава носещата способност на огъване на плочите. При гредите може да е необходимо да се увеличи носещата способност само на срязване или само на огъване, и това пак става с външно армиране с листова стомана. При всички случаи стоманените листове трябва да са надеждно свързани със съществуващата повърхност чрез епоксидно лепило, дюбели, болтове или шпилки,.за да се осигури плътен контакт между стоманата и бетона. За да не бъде компрометирана наличната армировка, нейното разположение трябва да бъде определено преди пробиване на отворите за свързващи елементи. Отворите се запълват с цименто-пясъчен разтвор или епоксидна смола, в зависимост от големината им. Възможно е да се избегне пробиването на отвори, ако се избере вариант със залепване с епоксидно лепило, но в този случай изпълнението е от изключително значение - ако не се гарантира плътната връзка, то усилването ще бъде напълно безполезно. И да напомним - при силно напукани греди е добре възстановяването, т.е.запълването на пукнатините, да предшества усилването.

При използване на стомана за усилване изпълнението е бързо, а мокрите процеси са сведени до минимум. Стоманата дава възможност за решение на различни проблеми - намаляване на деформации, увеличаване на носеща способност, дори подобряване на регулярността на конструкцията, но изисква задължителна антикорозионна защита, а нерядко и пожарна защита.

FRN (Fiber Reinforced Polymers) - усилените с фибри полимери, или "материалът на бъдещето", дават възможност за усилване чрез покриване на елементите. Това е композитен материал, който се състои от въглеродни (карбонови), арамидови или стъклени нишки в комбинация с полимери от епоксидни или полиестерни смоли. Материалът е с висока опънна якост и осигурява бързо усилване без използване на кофраж, почти не увеличава собственото тегло и размерите на усилваните елементи и е корозионно устойчив. Предлага се под формата на относително твърди плочи или еластичен плат. Залепени за елемента чрез епоксидна смола, те работят като външна армировка, която понася опънните напрежения в посока на нишките. Например усилването на плочи става с FRN-плат или ленти, като винаги посоката на влакната следва посоката на армировката, така че платът или лентата да изпълняват функцията на външна армировка. Големите недостатъци на FRN-системите са намаляването на якостните показатели и значителната деформируемост в алкална среда и при повишена температура, а линейното поведение на материала до достигане на граничните деформации предопределя крехкото му разрушение.

Вграждането на нови стоманени или стоманобетонни елементи е стъпка към увеличаване на пространствената стабилност на конструкцията на сградата или съоръжението, и е тясно обвързано с предварителна изчислителна работа за изследване цялостното поведение, а в частност и това при сеизмични въздействия, на усилената конструкция.

Всяко усилване на съществуваща конструкция е предизвикателство за инженера, което изисква обосновани, макар и понякога нестандартни решения. При всички случаи се прави задълбочен анализ на предложените варианти. Наличните на пазара материали дават големи възможности. В проекта за усилване се дават изчислителни доказателства за носещата способност на елементите и съединенията, цялостната сигурност и поведение на усиленото съоръжение, работни чертежи и най-подробни указания за технологията и последователността на изпълнение. Внимателно се решава връзката на внедрените нови елементи с фундаментите. Посочват се и необходимите мерки за безопасно изпълнение на строителните работи.

Усилване на фундаменти
Промяната в размерите, видът, а често и свързването на съседни фундаменти в общ, са някои от начините за усилване на фундаментите. Изпълнението на такива усилвания винаги е сложно, бавно и скъпо, изисква много ръчен труд, и се работи в изключително рискови условия. Именно затова до усилване на фундаменти се прибягва само в случай на крайна необходимост. Препоръчително е да се избира метод за усилване, който не налага допълнителна работа върху фундаментите вследствие увеличаване на усилията в конструкцията. В тази светлина усилването на елементи с FRP е най-благоприятно, тъй като почти не се увеличават постоянните товари.

Някои причини, които биха наложили усилване на съществуващите фундаменти, са: недопустими деформации на сградата, вграждане на нови елементи или увеличаване на размерите на съществуващи, преразпределение на усилията в конструкцията след предприетите интервенции, увеличаване на експлоатационните товари поради смяна на предназначението. Необходимостта от усилване може да се дължи и на недостатъчна носеща способност на фундаментното тяло, размери на основната плоскост, дълбочина на фундирането.

В практиката се използват различни начини за усилване на фундаментите. Всъщност целта винаги е да се поеме допълнителното ново натоварване от реконструкциите, а това става с увеличаване на основната плоскост на съществуващите основи или с пренасяне на товарите към по-дълбок почвен пласт с по-голяма носимоспособност. Разширяването на основната плоскост обикновено се прави или с подбиване на нова, по-широка стъпка под фундамента, или с добавяне на странични елементи. При използване на допълнителни конструктивни части се обръща внимание на проверките на напреженията във всички отслабени сечения в съществуващия фундамент. Пренасянето на товарите се осъществява главно със стоящи пилоти, когато има налични условия за стъпване върху скала или плътни чакъли. Що се отнася до подобряване носимоспособността на земната основа и до намаляване въздействието на новоотчетени динамични натоварвания - два други целесъобразни начина, теорията е много сложна и тук няма да навлизаме в подробности.

Мерки за безопасност
Строително-монтажните работи при възстановяване и усилване на сгради и съоръжения се извършват с изключително внимание към безопасността на работниците, тъй като са свързани с много рискови фактори. Задължително се изготвя план за безопасност и здраве, който трябва точно да определи специфичните рискове, да дефинира правилата и технологичната последователност, които ще се прилагат по време на строителните работи, за да бъдат осигурени безопасни и здравословни условия на труд, да посочи личните и колективните предпазни средства и да отчита другите дейности, които се извършват на участъка на строителните работи и биха могли да имат последици, свързани с безопасността и здравето на работниците.