УСИЛЕНИЕ КОНСТРУКЦИЙ АРХИТЕКТУРНЫХ ПАМЯТНИКОВ С ПОМОЩЬЮ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Маяцкая И.А.¹, Федченко А.Е.²

¹ORCID: 0000-0003-1530-8238, Кандидат технических наук, ²ORCID: 0000-0002-7175-2002, аспирант, Донской государственный технический университет

УСИЛЕНИЕ КОНСТРУКЦИЙ АРХИТЕКТУРНЫХ ПАМЯТНИКОВ С ПОМОЩЬЮ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Аннотация

Рассмотрены вопросы по усилению колонн с помощью полос из полимерного композиционного материала и углепластиковых ламелей. Особое внимание уделено вопросам прочности и антикоррозийной стойкости применяемых материалов, сохранению внешнего вида  архитектурного памятника. Возможно усиление колонны приклеиванием полос композиционного материала в растянутой зоне сечения в различных направлениях, под разными углами намотки ткани, как непрерывно, так и дискретно, причем необходимо вычислить те зоны, где это необходимо. Нужно дальнейшее развитие данного направления в строительстве и архитектуре, применяя новые инновационные материалы, которые могут применяться в других областях, например, медицине, авиа и вертолетостроения, космической промышленности.

Ключевые слова: колонна, усиление, прочность, композит, ламель.

Mayatskaya I.A.¹, Fedchenko A.E.²

¹ORCID: 0000-0003-1530-8238, PhD in Engineering, ²ORCID: 0000-0002-7175-2002, Postgraduate student, Don State Technical University in Rostov-on-Don

STRUCTURAL REINFORCEMENT OF ARCHITECTURAL MONUMENTS USING POLYMER COMPOSITE MATERIALS

Abstract

The issues on structural reinforcement of columns using bands made of polymer composite material and carbon fiber lamellae are considered in this paper. A particular attention is paid to strength and corrosion resistance of the materials used, and their ability to keep the appearance of the architectural monument. It is possible to strengthen the column by gluing strips made of composite material in a stretched cross-section area in different directions, at different angles of fabric winding, both continuously and discretely, besides it is necessary to calculate the areas where it is necessary to do. The further development in this direction is expected both in construction and in architecture, with the usage of new innovative materials that can be applied in other areas, for example, medicine, aviation, helicopter industry, and space industry.

Keywords: column, reinforcement, strength, composite, lamella.

Колонны и несущие стены в памятниках архитектуры являются основными несущими элементами и должны обладать не только достаточной прочностью, устойчивостью и несущей способностью, но и сохранять свой архитектурный облик.

Со временем происходит разрушение памятника и надо проводить реконструкцию, при которой проводят усиление участков стен и колонн. На рис. 1,а  показано, как проведена реконструкция разрушенного участка, в результате которой был воссоздан первоначальный облик двери (рис. 1,б). Была проведена перекладка и снята стальная рубашка, которая не давала разрушаться стене над навесом входной двери (рис. 2).

Рис. 1 – Фрагмент стены архитектурного памятника XIX века  (а – до реконструкции; б – после реконструкции)

Рис. 2 – Дом братьев Мартын, 1893 г., Ростов-на-Дону

 

Для увеличения прочности колонн в замке Castel Del Monte были применены стальные обоймы, в результате чего внешний вид колонн сильно изменился (рис. 3,а). В мире есть и другие архитектурные памятники с разрушенными колонами как полностью, так и частично (рис. 3,б ).

Колонны в памятниках архитектуры могут быть как круглой формы, так и в виде правильных и криволинейных многоугольников (рис. 4). Кстати, очень редко встречаются колонны с квадратной и прямоугольной формы, которые используются в современных сооружениях.

Рис. 3 – Колонны архитектурного памятника (а – замок Castel Del Monte; б – Древняя Пальмира)

Рис. 4 – Колонны архитектурных памятников (а –Древняя Пальмира; б – замок Castel Del Monte; в – государственный музей изобразительных искусств имени А.С. Пушкина)

Колонны – это вертикальные строительные конструкции, которые применяются для создания каркасной конструктивной схемы. Проводится расчет стоек в продольном и поперечном направлениях и основными усилиями, действующими в колоннах, являются сжимающие силы, а также изгибающие моменты от ветровых воздействий и вертикальных сил, приложенных к эксцентриситетом.

Усиление колонн с помощью углеволокна в настоящее время используется при ремонте и строительстве сооружений [1, С. 5]. К преимуществам применения композиционного материала относится: толщина углеволокна составляет несколько миллиметров; углеволокно легкое и не дает дополнительной нагрузки на сооружение; прочность углепластика на растяжение выше в 5-6 раз по сравнению с железобетонной арматурой; углеволокно легко и быстро монтируются; углепластик обладает высокой коррозийной стойкостью.

Суть метода заключается в том, что перпендикулярно к оси колонны наклеиваются углепластиковые ламели и полосы тканей, благодаря чему поперечное деформирование усиленного элемента конструкции ограничивается.  Колонны, усиленные композиционными материалами, хорошо воспринимают не только вертикальную нагрузку, но и изгибающий момент [2, С. 3]. Для этого необходимо пластины углепластика наклеить вдоль плоскости действия момента.

Ламели Sika CarboDur и FibArm Lamel  могут быть  окрашены, обладают высокой прочностью на растяжение и изгиб, отличной усталостной стойкостью, и самое главное имеют малую толщину и малый вес. В дальнейшем необходимо, чтобы при реконструкции архитектурных памятников применялись прозрачные полимерные материалы, но при этом их прочностные и антикоррозийные свойства не уменьшались и могли плотно прилегать без применения клеевого составляющего к поверхности колонн с сечением в виде криволинейного многоугольника. Именно такие формы поперечного сечения чаще всего встречаются в древних памятниках архитектуры.

Усиление обоймами эффективно при увеличении центрально приложенной нагрузки, например, при увеличении этажности здания, когда дополнительная нагрузка передается или по оси колонны или со случайным эксцентриситетом. Вместе с тем внецентренно сжатые конструкции можно усилить приклеиванием полос композиционного материала к растянутой грани элемента. Особенно эффективна в данном случае будет установка полос или лент композиционного материала в пазах, так как в этом случае наиболее полно используется высокая прочность композиционного материала на растяжение и исключается возможность его отслоения от усиливаемой конструкции [2, С. 12]

Возможно усиление колонны приклеиванием полос композиционного материала в растянутой зоне сечения в различных направлениях, под разными углами намотки ткани, как непрерывно, так и дискретно, причем необходимо вычислить те зоны, где это необходимо.

Полимерные композиционные материалы применяются в костной инженерии в медицине. Использование полимерных ламелей, способных приникать внутрь сжатой колонны и образовывать композитную конструкцию, не меняя размеры и вид поперечного сечения сложной формы. В результате получаем усиленную цилиндрическую тонкую оболочку внутри колонны, только необходимо учесть, что вид поверхности древнего сооружения остается неизменным. Разработка новых остеопластических материалов для костной инженерии является актуальной и нельзя упускать возможность применения этих достижений в строительстве и архитектуре. Тем более, что структура костной ткани аналогична природной структуре применяемых материалов в архитектуре древних колонн [3, С. 6], [4, С. 17].

Накопленный мировой и отечественный опыт применения композиционных материалов для усиления строительных конструкций являет­ся положительным, то есть во всех случаях усиленные конструкции на­ходятся в эксплуатационном состоянии, и отказа внешней арматуры из композиционных материалов не наблюдается.  Это вызывает быстрый рост применения композиционных материалов для ремонта и усиления строительных конструкций различных инженерных сооружений -  промышленных и гражданских зданий, мостовых конструкций, башен, труб, свайных опор, морских причалов, обделок тоннелей и других подземных сооружений, памятников архитектуры. Хотя при реставрации памятников архитектуры они применяются в местах, в которых нет необходимости сохранять первоначальный внешний вид.

Углеродные композиционные материалы предпочтительнее в случае предполагаемого увеличения нагрузки на колонну, а арамидные или стекловолокна — в случае изменения гибкости конструкции.  Обойма из полимерных композиционных материалов  может состоять из активных или пассивных слоев, или их комбинации. Подобно стальным обоймам пассивные обоймы обеспечивают восприятие пассивного бокового давления при использовании преднапряженных элементов конструкций, боковое охватывающее давление обеспечивается раньше, чем при пассивном отпоре, вызванном радиальным расширением колонны при его осевом сжатии.

В зависимости от формы колонны и расположения композиционного материала усиления распределение радиальных давлений в колонне будет неравномерным.  Выделяют четыре основных типа усиления: усиление обоймой из полимерных композиционных материалов  цилиндрической колонны по всей ее длине с расположением полос композиционного материала перпендикулярно продольной оси колонны; частичное усиление круглой колонны кольцами; усиление обоймой с произвольным расположением полос относительно продольной оси колонны; усиление колонн некруглой формы поперечного сечения.

В последние годы проблеме обеспечения надежности строительных конструкций на всех стадиях их возведения и эксплуатации, особенно в случае их ремонта и усиления, уделяется значительное внимание как российскими, так и зарубежными исследователями.  Вместе с тем в отече­ственной научно-технической литературе до настоящего времени отмечается лишь незначительное количество обобщающих публикаций, по ре­монту, восстановлению и усилению конструкций памятников архитектуры  композиционными материалами нового поколения.

Список литературы / References

1. Васильев В. В., Протасов В.Д., Болотин В.В. Композиционные материалов: Справочник / В. В. Васильев, Ю.М. Тарнопольский. – М.: Машиностроение, 1990. – 512 с.
2. СП 164.1325800.2014 Усиление железобетонных конструкций композиционными материалами. – М.: Минстрой России, 2015. – 50 с.
3. Гнедич П.П. Мировая архитектура. / П.П. Гнедич. – М.: Эксмо-Пресс, 2012. –240 c.
4. Трубе Г. Путеводитель по архитектурным формам. / Г. Трубе. – М.: Архитектура – С, 2014. – 216 c.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Vasiliev V. V., Protasov V.D., Bolotin V.V. Kompozitsionnye materialy: Spravochnik [Composite Materials: Handbook] / V. V. Vasiliev, Yu.M. Tarnopolsky. – M. : Mashinostroyeniye. 1990. – 512 p. [in Russian]
2. СП 164.1325800.2014 Usileniye zhelezobetonnykh konstruktsi kompozitsionnymi  materialami [Strengthening of reinforced concrete structures with composite materials]. – M.: Minstroy Rossii. 2015. – 50 p. [in Russian]
3. Gnedich P.P. Mirovaya arkhitektura. [World Architecture] / P.P. Gnedich. – M. : Eksmo-Press, 2012. –240 p. [in Russian]
4. Trube G. Putevoditel po arkhitekturnym formam. [Guide to the architectural forms] / G. Trube. – M. : Arkhitektura – C, 2014. – 216 p. [in Russian]