Металлические и композитные материалы для усиления конструкций: сравнение
В процессе армирования допустимо использование как классических технологий, например, установки вспомогательных металлических опор, обойм, так и современных, основанных на композитных материалах. В чем разница между этими методами? Что лучше: композиты или металл?
Общие задачи
- Повышение прочностных характеристик, несущей способности плит перекрытий, колонн и других элементов, формирующих силовой каркас. Необходимость обусловлена различными причинами. Например, снижением изначальной прочности, вызванным естественным износом или нарушениями эксплуатационного режима, либо планами модернизации, сопряженной с увеличением исходной нагрузки. Последняя выражается в наращивании этажности, размещении на крыше или перекрытиях массивного оборудования.
- Продление срока службы здания. Своевременное усиление помогает на десятилетия увеличить эксплуатационный срок, исключает опасность признания объекта аварийным, необходимость его дорогой перестройки, сноса.
- Изменение планировки здания. Укрепление несущих конструкций поможет без риска снести некоторые опоры, чтобы скорректировать внутреннюю планировку, более рационально использовать доступное пространство.
- Изменение спецификации объекта. Требования, установленные для прочностных характеристик сооружения, определяются его назначением, жилым, производственным, коммерческим, административным. В некоторых случаев, переоснащение невозможно без дополнительного укрепления.
Подготовка проекта
- Обследование объекта, выявление поврежденных элементов и конструкций, определение степени выраженности повреждений.
- Выполнение расчетов, подготовка схемы, в соответствии с которой будет проводиться армирование, подсчет расходов.
- Установка армирующих элементов, продольных металлических стержней, подпорок, балок, оклеивание поверхностей углеродными лентами, холстами.
- Защитно-декоративная обработка, при необходимости таковой, окрашивание поверхностей, нанесение составов, препятствующих коррозии, исключающих повреждения при термическом воздействии.
Сравнение материалов
Сравнить композитные и металлические армирующие элементы нужно по всем основным показателям, что поможет в принятии окончательного решения.
Вес и габариты
Металлические конструкции достаточно громоздкие, что усложняет транспортировку и монтаж. Зачастую не удается обойтись без тяжелой техники. Большая масса металлоконструкций увеличивает нагрузку на соседние опорные элементы, а габариты – уменьшают доступную полезную площадь, что критически важно для жилых помещений.
Композитные материалы в этом смысле – полная противоположность. Стеклопластиковая арматура, холсты и ленты из углеволокна на фоне металла выглядят невесомыми. Их монтаж возможен без использования тяжелой техники, нагрузка на соседние элементы силового каркаса не увеличивается. Габариты, при сопоставимой прочности, также на порядки меньше металла, удается на 100% сохранить полезную площадь, провести установку в условиях ограниченного пространства. После установки возможна декоративная отделка композитов, обеспечивающая их полную маскировку, что важно на коммерческих объектах, в дизайнерских интерьерах.
Стойкость к коррозии
Металлические балки, швеллеры, арматурные стержни изготовлены из стали с повышенным содержанием углерода. Такой химический состав повышает прочностные характеристики, однако, снижает коррозионную стойкость. Решить проблему удается грунтованием, окрашиванием, при этом периодически, по мере истончения защитного покрытия, обработку придется повторять.
Композиты не боятся ржавчины. Их установка возможна даже на объектах с очень жесткими эксплуатационными нагрузками, предполагающими частое воздействие воды, концентрированных химических растворов, способных спровоцировать окислительные реакции.
Специфика монтажа
Установка металлоконструкций – трудоемкая задача, зачастую невыполнимая без привлечения квалифицированных специалистов, использования профессионального инструмента, тяжелой техники. Элементы связываются в общий каркас, фиксируются на основании сваркой, являющейся сложным процессом. Итог – увеличение временных, материальных вложений.
Армирование композитами – куда более простая задача. С ней могут справиться специалисты не самой высокой квалификации, в том числе прежде не имеющие опыта подобных работ. На поверхностях ленты и холсты крепятся при помощи эпоксидного клея, обеспечивающего не только механическую прочность, но и дополнительную устойчивость к атмосферным, химическим воздействиям.
Прочностные характеристики
Удельная прочность углеродного волокна десятикратно больше, в сравнении с углеродистой сталью, однако, нужно учитывать, что металл более пластичен. В некоторых случаях, например, если конструкция постоянно подвергается вибрационным нагрузкам, воздействиям, провоцирующим линейные смещения и расширения, рациональнее использовать не композит, а сталь. Ее модуль упругости почти в 4 раза выше, что обеспечивает стойкость к подобным процессам.
Дополнительные факторы
- Цена. Композиты дороже металла, однако, во многих случаях разницу удается нивелировать более простой установкой, продолжительным сроком службы, отсутствием необходимости в регулярной защитной обработке.
- Экологическая безопасность. Равенство. Оба материала не представляют угрозы для окружающей среды, могут без ограничений использоваться на любых объектах, независимо от действующих санитарно-гигиенических норм.
- Электропроводность. Углеволокно, стекловолокно – все это диэлектрики, тогда как металл хорошо проводит ток. В некоторых ситуациях это критически важно.
При сравнении нужно учесть и температурную стойкость. Металл в этом смысле более предпочтителен. Он изначально способен выдержать термическое воздействие в сотни градусов, а после обработки огнестойкой краской – без разрушения и деформаций переносит даже продолжительный контакт с открытым пламенем. Для композитов такая нагрузка была бы фатальной.