1. Вступ

Протягом останніх двох десятиліть будівельна галузь зазнає дедалі більшого тиску щодо зменшення свого 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 та мостів знаходиться на завершенні терміну служби та потребує або реконструкції, або знесення. Окрім завершення терміну служби, є ще багато причин посилення існуючих конструкцій:
·        Зміна використання
·        Розширення площі будівлі,
·        Додаткові поверхи в щільному міському середовищі,
·        Впровадження нових будівельних норм,
·        Наявність помилок або інших недоліків у початковій конструкції,
·        Необхідність вирішення інших проблем довговічності, спричинених відомими небезпеками, такими як пожежа, землетрус, тощо.
 
Вибір між посиленням існуючої конструкції чи знесенням та відбудовою не завжди простий і залежить від поточного стану споруди, завдання клієнта, а також культурного, історичного та суспільного значення споруди. Якщо інженер-конструктор визначить, що посилення всієї конструкції можливе, дані свідчать про швидший час виконання робіт (визначений як час між зупинкою діяльності в будівлі або на мосту та поверненням його до експлуатації) на 15-70% порівняно зі знесенням та новим будівництвом. Окрім економії часу, посилення конструкції може призвести до зменшення навантаження на ресурси на 10-75% за рахунок економії праці та матеріалів, що безпосередньо впливає на екологічний та вуглецевий слід споруди [1]. Швидша окупність та менші початкові інвестиції також є важливими факторами для клієнтів.

2. Рішення по зміцненню та процес вибору

Однак, ця потенційна економія значною мірою залежить від здатності інженера-конструктора вибрати та здатності будівельної галузі забезпечити та встановити відповідні рішення для зміцнення, які усувають виявлені локальні та/або глобальні недоліки. Хоча більшість проєктів зміцнення зазвичай включають кілька рішень, деякі з них виключаються через архітектурні, експлуатаційні або геометричні обмеження, брак знань у проєктуванні та/або виконанні, відсутність відповідного обладнання, що звужує перелік потенційних рішень. На цей вибір також впливають переваги та недоліки, що супроводжують ці рішення, і він не є «панацеєю», яка дивовижним чином усуває структурні недоліки. Додаванням ще одного рівня складності є потенційна некоректна реалізація цих рішень, яка може призвести до зміцнення певної частини конструкції, але послаблення іншої, що ілюструється двома наступними прикладами, один на локальному, а інший на глобальному рівні:
1.    Локальне: потовщення плити бетонним покриттям, але ігнорування додаткових навантажень на опорні балки.
2.    Глобальне: висока концентрація стін, що компенсують зсув, з одного боку споруди, вимагають посилення інших частин споруди в комплексі, для рівномірного розподілення навантажень.
На «локальному» рівні недоліки можуть включати окремі бетонні елементи, такі як балки, колони, плити, стіни та фундаменти, яким бракує достатньої стійкості, щоб запобігти руйнуванню на розтяг, стиск, згин, зсув, продавлювання, кручення та інші впливи, спричинені новими вимогами до навантаження. Рішення для окремих елементів включають, серед іншого:
·        Доливка бетонних перекриттів, або поновлення захисних шарів, як показано на рисунку 1,
·        Пост-встановлена арматура,
·        Сталеві каркаси,
·        Обгортки та стрічки з армованого волокном полімеру (FRP),
·        Зовнішнє пост-натягування.



Рис. 1 Приклад нарощування вторинного каркасу та збільшення товщини, а отже і несучої спроможності колони.

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

• Зсувні стіни, як показано на рисунку 2,
• Сталеві кріплення,
• Мікропалі,
• Ізоляція основи,
• Пристрої для розсіювання/демпфування енергії.

Рис. 2 Приклад протизсувної стіни між колонами.

3. Зміцнення бетонних елементів з низьким опором на зсув

Припускаючи, що будівля, в якій раніше розміщувалися офіси, тепер перейшла в комерційне використання через зміну власника, більший пішохідний потік збільшить навантаження, скажімо, на підлогу, яке повинні витримувати всі конструктивні компоненти – плити, балки, колони та фундаменти. Як правило, після перевірки інженер може виявити, що балки не мають достатнього опору як на вигин, так і на зсув, або, в деяких випадках, лише на зсув. Нагадаємо, що в більшості проєктних стандартів, таких як Розділ 6.2 EN 1992-1-1:2004 [2], опір бетонного елемента на зсув залежить від наступних шести параметрів:
1.    Міцність бетону,
2.    Ширина та висота перерізу,
3.    Ефективна глибина до армування на розтяг від верху,
4.    Довжина опори,
5.    Кількість поздовжньої арматури,
6.    Кількість зсувної (або поперечної) арматури.
Використання низки потенційно доступних рішень «локального» рівня для покращення одного або кількох із цих параметрів підвищує опір зсуву на різну величину, проте це тягне за собою компроміс з точки зору міцності, вартості, доступності та інших параметрів. Деякі модифікації можуть бути навіть нездійсненними, такі як збільшення міцності бетону існуючої балки. Інші, такі як додавання більшої кількості опор за допомогою додаткових колон для зменшення навантаження на зсув на одну балку, можуть навантажувати іншу балку та вимагати передачі навантаження на фундаменти. Тому потенційний діапазон рішень для покращення параметрів (1) - (6) може бути схожим на таблицю 1:



Таблиця 1: Потенційні рішення для зміцнення бетону з низькою стійкістю до зсуву

Безпосереднє збільшення кількості арматури на зсув призводить до пропорційного збільшення опору зсуву, а рішення, доступні наразі в галузі, зазвичай є мінімально поширеними та зменшують порушення роботи інших елементів. І навпаки, для опору бетону на зсув використання інших рішень зазвичай призводить до непропорційного збільшення, окрім бетонного покриття, що супроводжується власними компромісами.

4. Пост-встановлена арматура для збільшення опору зсуву

В останні роки розвиток та достатня зрілість технології пост-встановлення анкерних кріплень призвели до її використання в сферах застосування, що виходять за рамки кріплення сталі до бетону та з'єднань бетон-бетон. Одним із застосувань зміцнення є бетонне покриття, де як склеєні, так і механічні кріплення функціонують для посилення межі між існуючим та новим бетоном.
Ще одне застосування системи зв'язаних анкерів для зміцнення полягає в нещодавно розробленому рішенні Hilti для зміцнення «HIT-Shear», яке безпосередньо збільшує опір зсувному навантаженню арматурних залізобетонних елементів, як показано на рисунку 3, подібно до монолітних стремен.

Рис.3 Hilti HIT-RE 500 V4, HAS(-U) пост встановлене армування для запобігання зсуву

Це рішення встановлюється аналогічно до встановлення анкерного кріплення: тобто буріння отворів на фіксовану глибину, занурення перпендикулярно до поверхні бетону, ретельне очищення отворів від сміття, ін'єкція розчину та подальше встановлення стрижнів. Після затвердіння розчину гайки можна затягнути до максимального заданого значення.
Примітка: Якщо це прямо не враховано в проєкті, слід уникати буріння та прорізання арматури, що працює на згин, де це можливо, щоб запобігти подальшому ослабленню конструкції. Якщо цього неможливо уникнути, наприклад, для полегшення буріння в щільно армованих зонах, необхідні додаткові заходи за чіткою згодою інженера, відповідального за проєктування, для компенсації втрати армування, що працює на згин.

 

5. Нове рішення Hilti для пост-встановленого зсувного зміцнення «HIT-Shear»

Нове рішення Hilti для зміцнення на зсув HIT складається з наступних компонентів:

Рис 4 Рішення Hilti для пост-встановленого зсувного зміцнення «HIT-Shear»

Рішення поєднує ін'єкційний розчин HIT-RE 500 V4 з різьбовими стрижнями Hilti серії HAS розмірів M12, M16, M20 та M24, кожен з яких доступний з вуглецевої та нержавіючої сталі для внутрішнього та зовнішнього використання. Сталеві елементи доповнюються комплектом для заповнення кільцевого проміжку Hilti, що складається з ущільнювальної та сферичної шайби, гайки та додаткової контргайки, також доступної як з вуглецевої, так і з нержавіючої сталі для кожного діаметра стрижня.
Універсальність цієї системи полягає у використанні високоефективного розчину, що дозволяє використовувати її в бетоні:
·        Будь-якої товщини від 200 до 2200 мм,
·        Будь-якої міцності від C20/25 до C50/60,
·        Сухий або водонасичений бетон, а також у водозаповнених отворах.
·        З максимальними короткочасними та довготривалими температурами +60°C та +43°C відповідно.
Хоча встановлення в бетонний елемент дійсно можливе з будь-якого боку, наприклад, зверху вниз або знизу вгору в балці або плиті, ключовою особливістю системи є встановлення різьбових стрижнів на задану монтажну довжину l_sw, яка залежить від товщини h, та залишкового покриття c_res, яке, з точки зору монтажу, запобігає відшаруванню бетону на поверхні, протилежній свердлінню. Залишкове покриття, як показано на рисунку 4, змінюється залежно від діаметра стрижня.

З точки зору проєктування, фіксована монтажна довжина забезпечує надійне анкерування стрижнів для відтворення моделі ферми, утвореної залитими стяжками.

Рис. 5: Поперечний переріз, що показує глибину встановлення та залишкове покриття зміцнення HIT-Shear

6. Покриття рішення згідно з німецьким національним схваленням

За відсутності існуючого Європейського документа з оцінки (EAD) або гармонізованого європейського стандарту (hEN), рішення Hilti для посилення на зсув HIT було перевірено на придатність для цього застосування посилення Німецьким інститутом будівельної техніки (DIBt) та надано «загальний дозвіл на будівельну техніку» або aBG, Z-15.5-383 [4]. Це відповідає національним вимогам до будівельних робіт згідно з MVV TB (Muster-Verwaltungsvorschrift Technische Baubestimmungen), які слугують моделлю для Адміністративних положень – Технічних будівельних правил, що впроваджуються на федеральному рівні в Німеччині.

7. Гнучкість у ваших руках – скористайтеся перевагами PROFIS Engineering

Хмарне програмне забезпечення для проєктування Hilti PROFIS Engineering містить новий спеціалізований модуль для оцінки та посилення бетонних елементів з недостатнім зсувним опором, який допомагає інженерам-конструкторам оцінювати опір існуючих елементів та підсилювати їх, тим самим забезпечуючи безпечніший та ефективніший робочий процес. Новий модуль PROFIS Engineering для посилення зсувних елементів дозволяє:
·        Вибір між балками, колонами, плитами та стінами та визначення їх властивостей матеріалів та геометрії
·        Перевірка стійкості існуючого бетону відповідно до EN 1992-1-1:2004 + Національного додатку або SIA 262:2017 [5].
·        Посилення з вибором чотирьох діаметрів арматури з вуглецевої або нержавіючої сталі та вільним введенням відстані між елементами та відстаней до країв.
·        Розділення елемента на окремі зони та використання методу змінного нахилу стійок для максимізації стійкості з найменшим армуванням.
·        Створення комплексного звіту про проєктування з усіма перевірками, деталізацією армування та інструкціями з монтажу.

Рис. 6 Розрахунок в Hilti PROFIS Engineering

8. Висновок

Трансформація та повторне використання старих конструкцій може запропонувати багато переваг порівняно із знесенням та перебудовою, оскільки кожна конструкція вимагає виконання певних цілей під час посилення. Виходячи з обраної філософії проєктування, інженер-конструктор може усунути недоліки зсуву в лінійних або плоских бетонних елементах за допомогою різних методів, деякі з яких менш поширені, ніж інші. Використання додатково встановленої арматури зсуву, такої як рішення Hilti з різьбовими стрижнями HAS(-U) з розчином HIT-RE 500 V4, є новим прикладом мінімально поширеного методу, який може значно підвищити опір зсуву конструктивного елемента.
Після відповідної оцінки та отримання загального дозволу на будівельну техніку (aBG) як системи DIBt, інженери можуть використовувати знайомий підхід до проєктування на основі Єврокоду 2, інтегрований в PROFIS Engineering Suite від Hilti, щоб знайти можливе рішення, вибираючи між ключовими параметрами проєктування: діаметром, кроком та змінною похилою стійкою. Завдяки інтуїтивно зрозумілому інтерфейсу, новий модуль зміцнення зсуву допомагає інженерам заощаджувати час на етапі проєктування, приносячи цінність своїм клієнтам, а також сприяючи безпечнішому та стійкішому середовищу забудови.

9. Посилання

[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] K. S and G. Genesio, “Whitepaper on Shear-friction Applications and Concrete Overlays”, Hilti AG, Liechtenstein, Dec. 2023.
[4] Deutsches Institut für Bautechnik, “Z-15.5-383 - Hilti Querkraft-Verstärkungssystem mit Hilti HIT-RE 500 V4”, DIBt, Berlin, 2024.
SIA, “SIA 262: Concrete Structures,” SIA, Zürich, 2017.