Посилення існуючих бетонних конструкцій за допомогою рішень Hilti

1. Передумови посилення

Протягом останніх двох десятиліть будівельна галузь зазнає все більшого тиску з метою зменшення її впливу на навколишнє середовище та повторного використання існуючого будівельного фонду для задоволення зростаючих соціально-економічних потреб, особливо в міських умовах, де значна частина залізобетонних будівель і мостів знаходиться наприкінці терміну експлуатації та потребує або реконструкції, або знесення. Крім закінчення терміну експлуатації, є кілька причин для підсилення існуючих конструкцій, це такі як:

• Зміна призначення або використання,

• Розширення площі забудови,

• Додаткові поверхи в густонаселених міських районах, де розширення по горизонталі не є можливим,

• Впровадження нових будівельних норм,

• Наявність помилок або інших недоліків у початковій конструкції, і

• Необхідність вирішення інших питань довговічності, спричинених небезпеками, такими як пожежа та землетрус.

Вибір між підсиленням існуючої конструкції або знесенням і відбудовою не завжди є легким і залежить від поточного стану конструкції, її культурної, історичної та суспільної важливості. Якщо інженер-конструктор може визначити варіант посилення всієї конструкції, це може на 15-70% пришвидшити термін відновлення (визначається часом від припиненням діяльності в будівлі або мосту та поверненням його в експлуатацію), порівняно зі знесенням або його будівництвом заново.

Крім економії часу, посилення конструкції може призвести до зменшення на 10-75% навантаження по ресурсах завдяки економії праці та матеріалів, що безпосередньо впливає на екологічний та вуглецевий слід конструкції [1]. Швидше відновлення та менші інвестиції є дуже важливим пунктом з точки зору міркувань для клієнтів.

2. Рішення для посилення та процес вибору варіантів

Зазвичай потенційні заощадження значною мірою будуть залежать від здатності інженера-конструктора вибирати правильний варіант підсилення, а будівельному ринку – надавати та встановлювати відповідні рішення для підсилення, які зможуть усувати виявлені локальні та / або глобальні недоліки в конструкціях. Досить часто більшість проектів пов’язаних із підсиленням, зазвичай, включають кілька рішень, деякі з них виключаються через архітектурні, експлуатаційні або геометричні обмеження, відсутність знань у проектуванні та / або виконавців, недоступність відповідного обладнання, що звужує перелік потенційних рішень. Додатковим пунктом складності є можливість помилкової реалізації цих рішень, що може призвести до посилення певної частини конструкції, але ослаблення іншої, що ілюструється наступними двома прикладами, один на локальному, а інший на глобальному рівні:

• Локальний: потовщення плити бетонною накладкою, але ігнорування додаткових навантажень на опорні балки.

• Глобальний: висока концентрація додаткових опорних елементів, що збільшує власну вагу конструкцій, що зазвичай нічого не змінює загалом.

На «локальному» рівні недоліки можуть включати окремі бетонні елементи, такі як балки, колони, плити, стіни та фундаменти, яким не вистачає достатнього опору, щоб запобігти руйнуванню при розтягуванні, стисненні, згинанні, зсуві, продавлюванні, крученні та інших впливах, спричинених новими вимогами до навантаження. Рішення для окремих елементів включають:

• Бетонні накладки або обойми, як показано на рисунку 1,

• Пост-встановленні арматурні стрижні,

• Сталеві обойми,

• Близькоповерхневий монтаж (NSM) або з’єднувальні пластини,

• Обгортки та смуги з волоконно-армованого полімеру (FRP),

• Зовнішнє попереднє напруження.

Рис. 1 Приклад бетонного покриття / обойми на колонах.

Підсилення на «глобальному» рівні зазвичай включає вирішення питань, пов’язаних з усією конструкцією, таких як сейсміка, пожежа, втома та вітер, шляхом впровадження таких рішень, як:

• Перестінки для сприйняття зсуву, як показано на рисунку 2,

• Сталеві розпірки,

• Мікропалі,

• Базова ізоляція,

• Розсіювання енергії / демпфуючі пристрої.

Рис. 2 Приклад перестінка для сприйняття зсуву між колонами.

Посилення бетонних плит і фундаментів, яким не вистачає опору на зсув

Припускаючи, що будівля, в якій раніше розміщувалися офіси, тепер змінена на комерційне використання через зміну наприклад власника, збільшення кількості відвідувачів збільшить навантаження, скажімо, на підлогу, яка в свою чергу передає зусилля на всі структурні компоненти – плити, колони та фундаменти. Як правило, після перевірки інженер може виявити, що плоскій плиті може не вистачати достатнього опору як на згин, так і на зсув, або, в деяких випадках, лише на зсув. Нагадаємо, що в більшості стандартів проєктування, таких як розділ 6.4 EN 1992-1-1:2004 [2], опір бетонного елемента силам зсуву залежить від наступних п’яти параметрів:

1. Міцність бетону,

2. Ефективна глибина до арматури на згин від верхньої частини стиснутої зони конструкції,

3. Розмір опори

4. Кількість поздовжньої арматури

5. Кількість поперечної (часто хомутів) арматури на зсув

Використання ряду потенційно доступних рішень на «місцевому» рівні для покращення одного або кількох із цих параметрів підвищує опір зсуву на різні навантаження, але це тягне за собою компроміс з точки зору інвазивності, вартості, доступності та інших параметрів. Деякі модифікації можуть бути навіть неможливими, наприклад, збільшення міцності бетону існуючої балки. Інші, наприклад, додавання більшої кількості опор за допомогою додаткових колон для зменшення зсувного зусилля, вимагатимуть передачі навантаження на фундаменти. Тому асортимент рішень Hilti для покращення параметрів (1) – (5) підсумовано в таблиці 1:

Таблиця 1. Можливі рішення для посилення бетону, якому не вистачає опору зсуву.

Безпосереднє збільшення кількості арматури на зсув призводить до пропорційного збільшення опору зсуву, і рішення, доступні зараз у промисловості, як правило, мінімально інвазивні та зменшать руйнування інших елементів. Використання всіх інших рішень зазвичай призводить до непропорційного збільшення опору зсуву, за винятком бетонного покриття, яке супроводжується збільшенням власної ваги конструкції.

4. Пост-встановлена арматура на зсув для збільшення опору

В останні роки розвиток і достатня перевіреність технології пост-встановленого анкерування призвели до її використання в вузлах, що виходять за рамки кріплень сталь-бетон і з’єднань бетон-бетон. Одним із застосувань у посиленні є бетонне покриття, де як щеплення так і механічні анкерні кріплення функціонують для підвищення зєднання між існуючим і новим бетоном. Більш детальну інформацію про посилення за допомогою бетонних покриттів можна знайти в посібнику Concrete-to-Concrete [3] або у брошурі Whitepaper on Shear-friction Applications and Concrete Overlays [4]. Інше використання системи анкерування в процесі посилення – це нещодавно розроблений компанією Hilti спосіб посилення “HIT-Punching Shear”, який безпосередньо збільшує опір продавлюванню за допомогою встановлення металевих елементів в бетонних конструкціях, як показано на рисунку 3, подібно до вмурованих хомутів.

Рис. 3 Hilti HIT-RE 500 V4, стрижні HAS(-U) та набір для заповнення, що використовуються як пост-встановлена арматура для запобігання продавлюванню.

Це рішення встановлюється подібно до анкера: тобто буріння на фіксовану глибину, заглиблення перпендикулярно до бетонної поверхні, ретельне очищення отворів від сміття, закачування розчину, а потім вставлення стрижнів. Після затвердіння розчину гайки затягнути до максимального заданого значення.

Примітка: Якщо це не було враховано в проєкті, слід уникати свердління та різання арматури як працює на згин (тобто поздовжньої арматури), де це можливо, щоб запобігти подальшому ослабленню конструкції. Якщо цього неможливо уникнути, наприклад, для полегшення свердління в густо армованих зонах, потрібні додаткові заходи з чіткою згодою відповідального за проєкт інженера для компенсації втрати повздовжніх робочих арматурних стержнів.

5. Нове рішення для посилення Hilti "HIT-punching shear"

Нове рішення для посилення Hilti HIT-Punching Shear складається з наступних компонентів:

Рис. 4 Нове рішення для посилення Hilti HIT-Punching Shear

Рішення поєднує ін’єкційний розчин HIT-RE 500 V4 з різьбовими шпильками Hilti серії HAS розмірів M12, M16, M20 і M24, кожен з яких доступний у варіантах із вуглецевої та нержавіючої сталі для використання всередині або зовні приміщень. Сталеві елементи доповнюються набором Hilti Filling Set, який складається з ущільнювальної та сферичної шайби, гайки та додаткової контргайки, також доступних як із вуглецевої, так і з нержавіючої сталі для кожного діаметра стрижня.

Універсальність цієї системи охоплює наступні параметри:

• Товщина плити від 200 до 1100 мм, з мінімальною ефективною глибиною вклейки 160 мм.

• Встановлення з верхньої або нижньої сторони плити з визначеними діапазонами довжини, діаметра стрижня відповідно до товщини плити.

• Міцність бетону від C20/25 до C50/60.

• Сухий або насичений водою бетон, а також у заповнених водою отворах.

• Максимальні короткочасні та довготривалі температури +40°C і +24°C відповідно.

• Всі елементи можна піддавати статичному та квазістатичному навантаженню.

6. Гнучкість у ваших руках - використовуйте потужність PROFIS Engineering

Хмарне програмне забезпечення Hilti PROFIS Engineering включає новий спеціалізований модуль для оцінки та посилення бетонних елементів, які мають недостатню несучу здатність на продавлювання, що допомагає інженерам-конструкторам під час оцінки опору існуючих елементів та підбору варіантів їх посилення, забезпечити тим самим безпечний та ефективніший робочий процес. Новий модуль PROFIS Engineering Punching Shear Strengthening дозволяє:

• Вибір між прямокутною та круглою колоною, кінцями стін і кутами стін на плитах з визначенням властивостей матеріалу та геометрії.

• Перевірка існуючого опору бетону згідно з EN 1992-1-1:2004.

• Посилення згідно з BG Z.15-5.387 [5] у поєднанні з DIN EN 1992-1-1/NA:2013, з вибором чотирьох діаметрів стержнів з вуглецевої або нержавіючої сталі та вільним введенням відстаней між ними та крайовими відстанями.

• Вільне ручне введення радіальних відстаней і кількості елементів посилення в кожному периметрі.

• Створення вичерпного звіту про проєктування з усіма перевірками, деталізацією встановлених стрижнів та інструкціями із встановлення.

Рис. 5 Новий спеціалізований модуль PROFIS Engineering для оцінки та посилення бетонних елементів

7. Підсумок

Реконструкція із повторним використанням старих конструкцій може запропонувати багато переваг у порівнянні з новими будівництвом, причому кожна конструкція зазвичай вимагає виконання конкретних розробок при підсиленні. Виходячи з обраної філософії проектування, інженер-конструктор може вирішити проблеми недостатньої міцності на продавлювання в плитах і фундаментах за допомогою різних методів, деякі з яких є менш інвазивними, ніж інші. Використання пост-встановлених елементів на продавлювання, таких як рішення Hilti з різьбовими стрижнями HAS(-U) та хіманкером HIT-RE 500 V4, є новим прикладом мінімально інвазивного методу, який може значно підвищити опір продавлюванню конструктивного елемента.

При детальному аналізі даних варіантів підсилення, інженери можуть використовувати знайомий підхід до проектування на основі Єврокоду 2, який інтегрований у програмне зебезпечення Hilti PROFIS Engineering, щоб знайти прийнятне рішення, вибираючи між ключовими параметрами проектування, такими як діаметр і відстань. Завдяки інтуїтивно зрозумілому інтерфейсу, новий модуль Punching Shear Strengthening допомагає інженерам, заощаджуючи час на етапі проектування, приносячи користь їхнім клієнтам, а також сприяючи створенню безпечнішого та надійнішого варіанту підсилення чи відновлення будівельних конструкції на продавлювання.

Щоб почати проєктування, відвідайте https://profisengineering.hilti.com/

8. Література

1. N. Addy, “Making sustainable refurbishment of existing buildings financially viable”, in Sustainable Retrofitting of Commercial Buildings - Cool Climates, S. Burton, Ed., Abingdon, Routledge, 2015, pp. 57-73.

2. EN 1992-1-1:2004: “Eurocode 2 - Design of concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings”, Brussels: CEN, 2004.

3. “Concrete-to-Concrete Connections Handbook”, Hilti AG, Liechtenstein, May 2024.

4. “Whitepaper on Shear-friction Applications and Concrete Overlays”, Hilti AG, Liechtenstein, Dec. 2023.

5. Deutsches Institut für Bautechnik, “Z-15.5-387 - Hilti Durchstanzverstärkungssystem mit Hilti HIT-RE 500 V4”, DIBt, Berlin, 2025.