Проектирование усилений строительных конструкций зданий и сооружений

            В таблице 1 приведена классификация причин усиления строительных конструкций зданий и сооружений.

Таблица 1.

Причины, вызывающие необходимость усиления строительных конструкций зданий и сооружений	Реконструкция предприятий, модернизация оборудования, изменение функционального назначения зданий и сооружений	Изменение геометрических размеров сечений или конструкций в целом, а также первоначальных схем работы
		Увеличение нагрузок, действующих на конструкции
	Ошибки в проектировании, изготовлении, транспортировке, а также при производстве строительно-монтажных работ
	Физический износ конструкций в результате интенсивной или длительной эксплуатации
	Различные повреждения конструкций в результате нарушения правил эксплуатации
	Износ конструкций в результате поражения коррозией ( металл, железобетон, кладка )	Атмосферная – коррозия материала конструкций в воздухе или других влажных газах
		Жидкостная – коррозия в электролитах ( кислотная, щелочная, в солевых растворах, морская )
		Электрокоррозия, возникающая под действием внешнего источника тока или блуждающих токов
		Биологическая – коррозия в результате воздействий микроорганизмов или продуктов их жизнедеятельности
	Локальные или полные повреждения конструкций в результате температурных воздействий и стихийных природных воздействий	Воздействия низких отрицательных температур
		Воздействия высоких температур
		Стихийные природные воздействия – сейсмические, ураганы, снеговые покровы, обледенение, наводнения и т.п.
		Аварийные взрывные и ударные воздействия
		Прочие воздействия и условия

 

 

В таблице 2 приведены основные способы усиления железобетонных и каменных конструкций зданий и сооружений.

                                                                                                                                                                                                        Таблица 2.

Восстановление несущей способности железобетонных конструкций	Защита от замачивания и воздушных агрессивных сред, восстановление нормального температурно-влажностного режима
	Восстановление закладных деталей, петель, креплений и т.д.
	Восстановление рабочей площади сечений конструкций ( заделка трещин, раковин, дефектов и т.д. )
	Повышение прочности бетона конструкций
	Прочие мероприятия
Увеличение несущей способности железобетонных конструкций	Без изменения расчетной схемы	Устройство обойм	Металлические, полимерные, железобетонные, растворные, комбинированные
		Устройство рубашек
		Одностороннее наращивание
		Усиление узлов сопряжения конструкций
		Прочие способы
	С изменением расчетной схемы	Дополнительные опоры	Жесткие – стойки, порталы, подкосы
			Упругие – балки, тяжи
		Металлические кронштейны и подкосы
		Тяжи, железобетонные и металлические пояса
		Включение в совместную работу отдельных конструкций
		Специальные решения
	С изменением напряженного состояния	Дополнительная горизонтальная или шпренгельная предварительно напряженная арматура
		Напряженные распорки
		Напряженные затяжки и хомуты
		Прочие специальные случаи
Разгружение железобетонных конструкций	Частичное	Передача нагрузки на другие конструкции
	Полное	Замена конструкции или изменение расчетной схемы

 

 

 

Оценка технического состояния конструкций выполняется для определения фактических характеристик материалов конструкции, условий ее закрепления или опирания, величин и характера действующих нагрузок. Работы производятся в соответствии с положениями действующих нормативных документов СП 13-102-2003 Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений и РД-22-01-97 Требования к проведению оценки безопасности эксплуатации производственных зданий и сооружений поднадзорных промышленных производств и объектов. Обследование строительных конструкций специализированными организациями.

 

            Перечень основных видов работ включает в себя:

- изучение имеющейся проектной, исполнительной и эксплуатационной документации;

- натурное инженерное обследование, состоящее из следующих мероприятий:

            - обмерочные работы с целью уточнения геометрических размеров сечений, пролетов;

            - вскрытия строительных конструкций для определения действующих нагрузок, количества, диаметров и класса рабочей арматуры;

            - определение прочностных характеристик бетона или каменной кладки;

- поверочные расчеты несущих конструкций с учетом фактических прочностных характеристик их материалов;

- анализ результатов, содержащий оценки текущего состояния обследуемых конструкций, снижения величины проектной несущей способности, динамики развития повреждений и путей восстановления эксплуатационных характеристик;

- формулирование выводов с оценкой технического состояния обследуемых конструкций в соответствии с классификацией нормативных документов;

- разработка рекомендаций по усилению или восстановлению эксплуатационных характеристик конструкций зданий или сооружений.

 

 

 

Способы антикоррозионной защиты арматуры и закладных деталей.

            Антикоррозионная защита стальных элементов закладных деталей и арматуры может выполняться следующими способами:

1. создание защитного слоя бетона или раствора;

2. нанесение лако-красочных покрытий;

3. цинкование поверхности металла.

 

1. Бетон или цементно-песчаный раствор имеют щелочную реакцию и достаточно плотную структуру, препятствующую проникновению агрессивных компонентов среды.

Способы нанесения:

- оштукатуривание раствором - без или с применением штукатурных сеток. Толщина слоя раствора от 15 до 40 мм;

- обетонирование опалубочным способом – толщина армированного слоя бетона от 80 мм;

- обетонирование безопалубочным способом – торкретирование. Толщина слоя мелкозернистого бетона наносимого за один раз 15-30 мм.

            2. Области применения лако-красочных покрытий определены в СНиП 2.03.11-85 Защита строительных конструкций от коррозии. В СНиП приведены классификации степеней агрессивности сред для железобетонных, металлических, деревянных конструкций, требования к материалам и номенклатура антикоррозионных составов, используемых для защиты.

 

3. Цинкование поверхности металла горячим или гальваническим способом повышает коррозионную стойкость обработанных поверхностей. Правила производства работ приведены в разделе 8 СНиП 3.04.03-85 Защита строительных конструкций и сооружений от коррозии.

 

 

 

Коррозионные повреждения каменной кладки, бетона и арматуры.

            Каменная кладка и бетон. Коррозионные повреждения материалов кладки и бетона связаны с химическими реакциями солей кальция, составляющего структуру цементного камня или известкового вяжущего с активными реагентами среды. На рис. 1-6 показаны различные проявления коррозионных процессов каменной кладки. Повреждающими факторами являются воздействия дождевой и талой влаги, растворяющей соли кальция, основания щелочей и кислот, сезонные процессы «замораживания-оттаивания». На рис. 7-14 показаны проявления коррозии бетона и арматуры, связанные с аналогичными воздействиями среды.

 

Рис. 1. Химическое повреждение кладочного раствора стен производственного корпуса – фильтрация газов с парами серной кислоты.	Рис. 2. Выветривание материалов каменной кладки цоколя здания – воздействия дождевой и талой влаги, процессы «замораживания-оттаивания»
Рис. 3. Выветривание кладочного раствора кладки цоколя здания - воздействия дождевой и талой влаги, процессы «замораживания-оттаивания»	Рис. 4. Разрушение материалов кладки верхней части стены здания - воздействия дождевой влаги, процессы «замораживания-оттаивания»
Рис. 5. Химическое повреждение материалов кладки стен производственного корпуса – фильтрация паров серной кислоты.	Рис. 6. Разрушение материалов кладки стены жилого здания – фильтрация воды с пола санузла, процессы «замораживания-оттаивания»

 

Рис. 7. Химическое повреждение бетона колонны производственного корпуса – воздействия растворов серной кислоты.	Рис. 8. Разрушение цементного камня и обнажение заполнителя перемычки оконного проема – воздействия паров серной кислоты
Рис. 9. Разрушение бетона защитного слоя элементов монолитного перекрытия – длительные воздействия конденсирующихся паров воды, растворяющих соли цементного камня.	Рис. 10. Разрушение наружного слоя керамзитобетонных панелей – фильтрация паров воды, процессы «замораживания-оттаивания»
Рис. 11. Разрушение бетона наружного слоя стеновых панелей – фильтрация конденсирующихся паров воды, процессы «замораживания-оттаивания»	Рис. 12. См. с рис. 11.
Рис. 13. Разрушение бетона раскоса опорной рамы градирни – замачивание технологической водой + процессы «замораживания-оттаивания»	Рис. 14. Разрушение бетона опорной части колонны, потеря устойчивости стержней продольной арматуры – длительное замачивание с растворением солей цементного камня, увеличением пористости и, как следствие, деформативности бетона.

 

 

Способы уменьшения поверхностной проницаемости конструкций и коррозионной повреждаемости: торкретирование, гидрофобизация, силикатизация, флюатирование, карбонизация.

            Уменьшение поверхностной проницаемости бетона и каменной кладки жидкостями и газами способствует снижению степени влияния на них агрессивных повреждающих воздействий.

            Торкретирование. Нанесение мелкозернистого бетона на поверхность железобетонной, каменной или стальной конструкции позволяет получить защитный слой, обладающий широким спектром свойств в зависимости от использованного состава смеси. Внесение полимерных добавок способствует повышению степени газо-водонепроницаемости, огнеупорной крошки ( шамот ) – огнестойкости слоя, стальной или чугунной дроби – износостойкости и т.д.

            Гидрофобизация. Применение гидрофобизирующих составов выполняется на стадиях возведения и ремонта строительных конструкций. Гидрофобизаторы могут добавляться в бетонную смесь, штукатурный или кладочный растворы, наноситься кистями, валиками и краскопультами. Принцип действия гидрофобизирующих составов заключается в создании на стенках капилляров тончайших водоотталкивающих пленок, препятствующих смачиванию и проникновению воды в материал. На ряду с другими материалами для гидрофобизации строительных материалов применяется кремнийорганический состав ГКЖ-11.

            Силикатизация - один из способов, применяемых для повышения прочности горных пород, рыхлых структур кирпичной или бутовой кладки. Осуществляется путем нагнетания в материал составов, выделяющих быстро твердеющие кремнекислые гели

Флюатирование – преобразование водорастворимых солей в труднорастворимые с помощью флюатирующей жидкости с последующей механической очисткой продуктов реакции и оштукатуриванием обрабатываемых поверхностей легкими паропроницаемыми, гидрофобными штукатурками. Применяется в ходе ремонтов кирпичных стен фасадов зданий и сооружений подверженных процессам выветривания.

 

  

 

Проектирование усиления железобетонных и каменных конструкций.

            Проектирование усиления железобетонных и каменных конструкций заключается в следующем:

- определение величин действующих или предполагаемых нагрузок;

- определение остаточной несущей способности конструкций с учетом фактических прочностных характеристик и расчетных схем;

- вычисление недостающей доли несущей способности;

- анализ возможных конструктивных решений и выбор наиболее подходящего по следующим критериям:

            - обеспечение ожидаемого эффекта в течение заданного периода;

- возможность реализации;

- отсутствие влияния или минимальное вмешательство в технологию здания или сооружения;

- минимальная материалоемкость и т.п;

- расчет и конструирование элементов усиления;

- оформление проектной документации.

 

Основные принципы усиления железобетонных и каменных конструкций: выбор методов, схемы усиления, исходные данные, рекомендуемые классы арматуры и материалы, конструктивные требования 

            Выбор методов усиления зависит от необходимой степени повышения несущей способности и возможностей размещения элементов усиления, связанных с технологией здания или сооружения. В таблице 1 приведен пример сопоставительной оценки основных способов усиления различных конструкций по степени увеличения несущей способности и возможности реализации, а на рис. 1-5 их принципиальные схемы.

            Например, усиление колонн транспортных сооружений возможно наращиванием сечений или устройством портальных систем, потому что установка дополнительных стоек или колонн в проездах неприемлема из-за влияния на основную технологию.

            Наиболее эффективным вариантом с точки зрения несущей способности во всех случаях является замена конструкции на соответствующую действующим нагрузкам, но это зачастую влечет за собой практически полную разборку сооружения, что неприемлемо.

 

 

                                                                                                                                                                                                                     Таблица 1.

Вид конструкции	Способ усиления	Реализация	Свойства
			положительные	отрицательные
Колонны, стойки	Наращивание сечения	Обоймы, рубашки ( рис. 1 )	Возможность усиления элементов в широком диапазоне значений	Большая трудоемкость по сравнению с установкой дополнительных стоек
	Разгружение	Установка дополнительных стоек, порталов или уменьшение нагрузок ( рис. 2, 3 )	Наибольшая степень усиления	Появление дополнительных стоек, влияющих на техноло-гию, уменьшающих ширину помещений, проездов и т.д. Снижение нагрузок зачастую невозможно.
	Замена	Замена конструкции	Возможность установки конструкции, соответствующей действующим нагрузкам	Большой объем демонтажных и монтажных работ, остановка производства
Балки, ригели	Наращивание (увеличение) сечения	Затяжки, шпренгели, обоймы ( рис. 4, 5 )	Возможность усиления элементов в широком диапазоне значений	Большая трудоемкость по сравнению с установкой дополнительных стоек
	Замена	Замена конструкции	Возможность установки конструкции, соответствующей действующим нагрузкам	Большой объем демонтажных и монтажных работ, остановка производства
	Изменение статической схемы	Введение дополнительных опор - стоек или подвесов ( рис. 2-4 )	Наибольшая степень усиления	Появление дополнитель-ных стоек или подвесов, влияющих на техноло-гию, уменьшающих ширину помещений, проездов и т.д.

 

 

            Схемы усиления

Схема усиления строительной конструкции или целой группы принимается в зависимости от степени поврежденности элемента, требуемой конечной величины несущей способности, условий эксплуатации, влияния элементов усиления на основные технологические процессы и возможность качественного выполнения работ.

На рис. 1 приведены варианты усиления кирпичного столба стальной и железобетонной обоймами и штукатурной рубашкой. Стальная обойма, как и железобетонная, позволяет существенно повысить несущую способность столба, технологична и проста в изготовлении. Однако в агрессивных условиях среды ее ресурс значительно ниже, чем у железобетонной. Железобетонная обойма относительно технологически сложна и трудоемка в изготовлении. Растворная рубашка наиболее дешевый способ усиления, но степень увеличения несущей способности столба ниже, чем у стальной или железобетонной обойм.

 

 

            На рис. 2-4 показаны схемы усиления железобетонной балки. Самый эффективный способ усиления установка стойки в пролете ( рис. 2 ). При этом значения изгибающих моментов уменьшаются в 4 раза, а перерезывающие усилия в 2 раза. Однако установка стойки приводит к появлению отрицательного момента и не всегда возможна из-за влияния на основную технологию. Устройство портальной рамы практически не уменьшает транспортный габарит проезда ( рис. 3 ), однако более материалоемко, чем стойка.

 

 

 

            На рис. 4 показана принципиальная схема усиления железобетонной балки шарнирно-стержневыми цепями. Этот способ более экономичен по расходу материалов, так как элементы цепей растянуты, а конструкции стойки или подкосов сжатые и необходимо обеспечивать их устойчивость. При таком усилении могут возникнуть проблемы с анкеровкой концевых звеньев цепей.

 

 

 

            На рис. 5 показано наиболее эффективное усиление опорных зон железобетонной балки. Его реализация невозможна, если на верхней поверхности балки уложены плиты перекрытия или покрытия.

 

 

            Исходные данные

            В качестве исходных данных для выбора варианта усиления и проектирования рассматриваются:

- величины и схемы приложения нагрузок – фактические и планируемые – для оценки изменений величин усилий;

- фактические характеристики конструкции – геометрические параметры, прочность бетона или кладки, площадь сечения и класс рабочей арматуры – для оценки остаточной несущей способности;

- наличие агрессивных факторов среды, что отразится на выборе материала усиления или степени антикоррозионной защиты;

- влияние возможных вариантов на основную технологию здания или сооружения – оценка возможности уменьшения пролетов или высот, установки стоек, порталов, обойм, подвесов и т.п.;

- характеристики материалов и изделий, применяемых для усиления.

 

            Рекомендуемые классы арматуры и материалы

            Металл. Для изготовления стальных элементов конструкций усиления применяются стандартные прокатные профили ( лист, уголок, швеллер, двутавр, труба, круглый и квадратный стержни ) и арматурная сталь классов АI-AIII. Для усилений собираемых на сварных соединениях или включаемых в работу путем нагрева не применяются термически упрочненные стали. Для сварных соединений необходимо использовать совместимые с металлом элементов усиления марки электродов.

            Для растворных рубашек применяются стальные сетки – штукатурные «паутинка» и просечно-вытяжные из черного и оцинкованного металла.

            Раствор. Цементно-песчаные растворы, применяемые для выравнивания опорных поверхностей, плотной установки стальных деталей усиления, создания защитного антикоррозионного слоя, рекомендуется готовить из кварцевого или речного промытого песка, безусадочного или напрягающего цемента НЦ, чистой воды и пластификаторов, позволяющих предельно снизить водо-цементное отношение.

            Рекомендуемые марки раствора по прочности для штукатурных защитных покрытий – не ниже М25, для инъектирования и зачеканки трещин, зазоров, щелей – М50-М100, для установки стальных опорных деталей на кладку или бетон – М100-М150.

Бетон. Применяемые при восстановлении или усилении строительных конструкций бетона могут существенно отличаться свойствами в зависимости от конкретных условий использования. Как правило, это мелкозернистые тяжелые бетоны классов В20-В30 на портландцементе М400-М500 с пластификаторами. Для бетонирования объемных конструкций могут применяться бетоны с крупным заполнителем.

            Полимерсодержащие составы. В современной практике строительства и ремонта все большее место занимают специальные смеси, обладающие заданным набором свойств. Наиболее важными в производстве ремонтных работ и усилении являются: адгезия, прочность на сжатие и растяжение, класс по водонепроницаемости, химическая стойкость, скорость схватывания и набора эксплуатационных характеристик и.т.п. В каждом конкретном случае требуется материал, обладающий тем или иным сочетанием перечисленных и других свойств. Существуют несколько серий материалов, созданных специально для выполнения ремонтных и антикоррозионных работ: «Бирсс», «Эмако», «Глимс» и т.д.

            Краски, лаки. Лако-красочные материалы и области их применения рассмотрены в СНиП 2.03.11-85. Защита строительных конструкций от коррозии. Кроме рассмотренных в СНиП, существуют другие антикоррозионные составы.

 

 

            Конструктивные требования.

            1. Антикоррозионная защита металла раствором или окрасочными составами

            2. Стальные элементы усиления необходимо устанавливать на усиляемые конструкции с устройством контактного растворного шва. Использовать цементно-песчаный раствор М100-М150.  

            3. Величины напряжений в элементах усиления – затяжках, шпильках, хомутах следует назначать в соответствии с диаграммой «s-e» в пределах участка упругих деформаций. Превышение величин s_т в долгосрочной перспективе приведет к релаксации и снижению напряжений.

            4. Используемые при усилении строительных конструкций материалы должны применяться строго в соответствии с инструкциями производителя. Отступления от предписанных технологий приводят к отсутствию необходимого эффекта от усиления или восстановления конструкции.

            5. Выбор наиболее надежных вариантов усиления. При проектировании усиления следует рассматривать несколько вариантов с определяющим критерием – надежность.

            6. Для включения элементов усиления в работу применять методы с большей степенью точности получения нужного эффекта. Например, натяжение хомутов обоймы можно выполнять термическим способом, попарным стягиванием, резьбовыми соединениями. Наиболее простым вариантом является термический способ, но и наименее точным. Методы стягивания и натяжения резьбой обеспечивают наиболее точный результат.

            7. Бетон наращивания или обойм следует принимать большей прочности, чем материал усиливаемой конструкции.

            8. Рабочие поверхности усиливаемых конструкций следует готовить: обеспыливать, обезжиривать, насекать, наносить грунтовочные составы и адгезионные обмазки.

            9. Передача нагрузок на усиливаемые и предварительно разгруженные конструкции производится после набора бетоном усиления или раствором контактных швов проектной прочности.

  

 

            Проектирование усиления сжатых каменных конструкций.

            Процесс проектирования усиления сжатых каменных конструкций состоит из следующих этапов:

- оценка необходимости усиления – расчет величины несущей способности не усиленной конструкции и ее сопоставление с действующими нагрузками;

- выбор способа усиления и предварительное назначение характеристик его элементов;

- определение несущей способности усиленной конструкции и, в случае необходимости, корректировка исходных параметров элементов усиления с последующим перерасчетом;

- конструирование и оформление проектной документации.

 

Расчеты несущей способности кирпичной кладки при усилении металлической, железобетонной, штукатурной обоймами.

 

На рис. 1 приведены принципиальные схемы обойм с указанием основных расчетных параметров.

            Расчет конструкций из каменной кладки, усиленной обоймами, при центральном и внецентренном сжатии при эксцентриситетах, не выходящих за пределы ядра сечения, производится по формулам:

- стальная обойма ( рис. 1а )

                        N £ ;

 

- железобетонная обойма ( рис. 1б ). Толщина слоя монолитного бетона принимается из условия возможности проведения качественного бетонирования и составляет не менее 6-10 см.

 

N £ ;

 

 

 

 

Рис. 1. Расчетные схемы кирпичных простенков и столбов, усиленных обоймами.

 

 

а- металлическая обойма; б- железобетонная обойма; в- армированная штукатурная обойма; 1- усиливаемый элемент; 2-металлический уголок; 3- поперечные планки сечением 35´5 - 60´12 мм; 4- сварка; 5- арматурные стержни диаметром 5-12 мм; 6- хомуты диаметром 4-10 мм; 7- штукатурка ( раствор М50-М100 ); 8- мелкозернистый бетон В7,5-В15.

 

- армированная штукатурная обойма ( рис. 1в )

 

                        N £ ,

 

где      y = 1,   h = 1    при центральном сжатии,

            ,        при внецентренном сжатии;

            N – продольная сила от расчетной нагрузки;

            A – площадь сечения усиливаемого элемента;

            A_s’ – площадь сечения продольных уголков стальной обоймы или

продольная арматура железобетонной обоймы;

            A_b – площадь сечения бетона обоймы, заключенного между хомутами и

кладкой без учета защитного слоя;

            R_sw – расчетное сопротивление поперечных планок или поперечной

арматуры обойм;

            R_sc – расчетное сопротивление уголков или продольной сжатой арматуры;

            R – расчетное сопротивление кладки сжатию;

            j - коэффициент продольного изгиба;

            m_q = 1  при h > 30 см;

            m_k – коэффициент условий работы кладки, принимаемый равным

 m_k=1 – для кладки без повреждений; m_k=0,7 – для кладки с

трещинами;

            m_b - коэффициент условий работы бетона, принимаемый равным

 m_b =1 – при передаче нагрузки на обойму и наличии опоры снизу

обоймы; m_b =0,7 – при передаче нагрузки на обойму и отсутствии

опоры снизу обоймы; m_b =0,35 – без непосредственной передачи

нагрузки на обойму;

            m - процент армирования хомутами или поперечными планками

                        ;

            S – расстояние между осями поперечных планок стальных обойм ( S£h, S£b, S£50 см ) или хомутов железобетонных или штукатурных (S£15 см );

            h, b – размеры сторон усиливаемого элемента.

 

 

            Конструирование обойм.

 

1. Шаг планок обоймы или хомутов сетки принимаются по расчету или в соответствии с конструктивными требованиями. Максимальный шаг планок обоймы принимается не более 500 мм и минимального сечения элемента. Минимальный диаметр и шаг стержней железобетонной обоймы или штукатурной рубашки принимается по минимальному проценту армирования – m_мин = 0,005. При этом шаг стержней не более 150 мм.

2. Плотность соединений обеспечивается установкой стальных опорных элементов на цементно-песчаный раствор марки не ниже М50. При устройстве железобетонных обойм и штукатурных рубашек необходимо готовить поверхность – обеспыливание, насечка, обработка адгезионными обмазками.

3. Сварные соединения выполнять соответствующими маркам стали элементов обойм электродами.

4. Нахлест стержней арматуры вязанных сеток принимается в соответствии с конструктивными требованиями к монолитным железобетонным конструкциям.

5. Передача нагрузок на усиляемые элементы производится по достижении бетоном или раствором усиления прочности не менее 80% проектной величины, если иное не оговорено в рабочем проекте.

 

 

Расчет прочности железобетонных изгибаемых элементов, усиленных установкой дополнительной арматуры в растянутой зоне

            Расчет прочности и жесткости железобетонных балок, усиленных установкой дополнительной арматуры в растянутой зоне, удобнее производить по приведенной площади растянутой арматуры ( рис. 1 ).

 

 

 

Приведенная площадь растянутой арматуры

                        A_s,red = A_s + A_ss  

Рабочую высоту элементов принимают равной приведенной высоте

                        h_0,red = h₀ + ( h_0s-h ),

где      A_s,red – приведенная площадь сечения продольной арматуры усиливаемого элемента;

            A_ss – площадь сечения дополнительной арматуры усиления;

            R_s, R_ss – расчетные сопротивления арматуры усиливаемого элемента и дополнительных стержней соответственно;

            h₀, h_0s – расстояния от сжатой грани элемента до центров тяжести арматуры усиливаемого элемента и дополнительных стержней соответственно.

            Для прямоугольного сечения уравнение равновесия будет иметь вид

                        M = R_b b x ( h_0,red – 0,5x ) + R_scA_s’ ( h_0,red – a’ )

            Подставляя в уравнение равновесия значение высоты сжатой зоны бетона

                        х =

приведенную высоту усиливаемого элемента при R_s = R_ss

и решив уравнение относительно A_s,red, получим

                        A_s,red = ,

где      А = ;

            В = R_s h_0,red; 

            С = М+R_scA_s’( h_0,red – a’) - .

            Без учета сжатой арматуры A_s’ = 0

                        А = ;

                        В = R_s h_0,red;

                        С = М_х.

            Здесь М_х – расчетный изгибающий момент в рассматриваемом сечении элемента после загружения его полной нагрузкой после усиления.

            Площадь сечения дополнительной арматуры определяется

                        A_ss = ( A_s,red – A_s )

            Общая площадь сечения арматуры усиливаемого элемента должна удовлетворять условию

                        A_s,red £ x_R b h_0,red

            При A_s,red > x_R b h_0,red  необходимо усилить сжатую зону элемента.

            При проверке прочности усиленного сечения или при определении площади дополнительной арматуры можно обойтись без приведенного сечения. Расчет можно вести исходя из условия равновесия усиленного элемента

                        М = R_b b x ( h_0,red – 0,5x ) + R_scA_s’ ( h_0,red – a’ ) – R_ss A_ss ( h_0s – h₀ );

                        R_b b x + R_scA_s’- R_ss A_ss - R_s A_s = 0.

            Если площадь дополнительной арматуры задана, то можно определить высоту сжатой зоны бетона

                        х =  

и из условия равновесия – несущую способность усиленного сечения.

 

 

            Использование в рассмотренных выражениях расчетных сопротивлений арматуры существующей и стержней усиления возможно при полном разгружении усиливаемой конструкции - s_s = 0. Неисполнение этого условия приведет к неравномерному распределению напряжений в стержнях существующей и дополнительной арматуры.

 

 

 

 

Расчет прочности железобетонных изгибаемых элементов, усиленных установкой листовой арматуры в растянутой зоне

            На рис. 2 приведены расчетные схемы изгибаемых железобетонных элементов, усиленных установкой листовой арматуры в растянутой зоне.

 

 

            При обеспечении надежной связи листовой арматуры с усиливаемым элементом они работают под нагрузкой совместно. Одновременно листовая арматура может быть использована как изоляция, особенно при наличии агрессивных компонентов среды.

            Уравнение равновесия всех внешних сил и внутренних усилий относительно центра тяжести листовой арматуры имеет вид

                        М = R_b b x ( h + 0,5d - 0,5x ) - R_sA_s ( а + 0,5d ).

            Высоту сжатой зоны бетона можно определить из суммы проекций всех усилий на ось элемента

                        R_b b x = R_sA_s + R_ss A_ss.      

            При этом должно соблюдаться условие x£x_R, где x_R принимается как для элемента со стержневой арматурой.

            Сдвигающие усилия на контакте между усиливаемым железобетонным элементом и листовой арматурой усиления определяются по формуле

                        t = ,

где      J – момент инерции усиленного сечения относительно нейтральной оси;

            Q – поперечная сила в рассматриваемом сечении;

            S – статический момент относительно нейтральной оси сдвигаемой части сечения;

            b – ширина сечения.

            Связь листовой дополнительной арматуры с усиливаемым элементом может быть обеспечена:

- за счет адгезии клеющего полимерраствора;

- введением дополнительных стальных связей, устанавливаемых в высверленные отверстия;

- приваркой к обнаженной арматуре усиливаемого элемента;

- за счет устройства упоров за гранями опор.

            Расчет анкерных связей для крепления листовой арматуры усиления сводится к определению усилия, воспринимаемого анкером, и интенсивности их расстановки.

            Расчетное усилие, воспринимаемое одним анкером, определяется

                        при d_у £ 2,5 см и ³ 4,2                         Т = 100 d_у² ;

                        при d_у £ 2,5 см и < 4,2                         Т = 24 h_y d_у .

            Расчетное усилие для стержней из малоуглеродистой стали

                        Т = 0,08 d_у² R_s.

 

            Расчет жестких концевых анкеров для обеспечения анкеровки листовой арматуры за гранями опор производится по предельному усилию

                        N = R_ss A_ss

            Условие прочности бетона при местном действии нагрузки от упоров

                        Т£1,6 R_b A_loc,

откуда находится площадь упоров.

                       

 

 

Расчет прочности нормальных сечений изгибаемых железобетонных элементов, усиленных наращиванием сжатой зоны

 

При усилении наращиванием сжатой зоны толщину слоя бетона h_s назначают из условия, что бы существующей арматуры A_s  в усиливаемом элементе было достаточно для восприятия возросшего изгибающего момента.

            При x = £ x_R  расчет сечения должен производиться из условия ( рис. 3а )

                        М £ R_sA_s ( h₀ + h_s – 0,5x ).

            При этом высота сжатой зоны х определяется из условия

                        х =

            Толщину наращивания сжатой зоны можно определить по формуле

                        h_s =  

            При прочности бетона наращивания большей чем прочности бетона усиливаемого элемента, расчет ведется из следующих условий. Высотой наращивания h_s в этом случае удобнее задаться конструктивно и затем выполнить проверку.

            При х £ h_s и при соблюдении условия

x = £ x_R  ,

где x_R  - для бетона наращивания, проверяем усиленное сечение по формуле ( рис. 3б )

                        М £ R_sA_s ( h₀ + h_s – 0,5x ),

где      х = .

 

            При х > h_s и соблюдении условия

x = £ x_R  ,

где x_R  - для бетона усиливаемого элемента, проверяем усиленное сечение по формуле ( рис. 3б )

                        М £ R_bsbh_s ( h₀ + 0,5h_s )+ R_bb ( x-h_s ) ( h₀ - 0,5 ( x-h_s )),

где      х = .

            Минимальная высота наращивания будет определяться при полном использовании высоты сжатой зоны бетона усиливаемого элемента, т.е. при х-h_s = x_R h₀, где x_R – для бетона усиливаемого элемента.

            Тогда из условия

                        R_bsbh_s +R_bb ( x-h_s ) = R_sA_s 

или                 R_bsbh_s +R_bb x_R h₀ = R_sA_s

определить высоту наращивания

                        h_s =  

            Несущую способность усиленного элемента можно проверить из условия

                        М £ R_bsbh_s ( h₀ + 0,5h_s ) + R_bbх ( h₀ - 0,5x ) = R_bsbh_s ( h₀ + 0,5h_s )

            Прочность контактного шва между бетоном наращивания и усиливаемым элементом может обеспечиваться адгезией в сочетании с шероховатостью обетонируемых поверхностей и шпонками. Расчет прочности контактного шва выполняется в соответствии с методиками проектирования сборно-монолитных конструкций.

 

 

 

 

Расчет прочности наклонных сечений железобетонных изгибаемых элементов при установке поперечных хомутов

 

 

                        Q_{sw,1 =} q_sw,1 c₀;

                        Q_{sw,s =} q_sw,s c_0s;

                        q_sw,1 = ;  q_sw,s =  - погонные усилия в хомутах усиливаемого элемента и дополнительных соответственно;

            R_sw, R_sw,s – расчетные сопротивления арматуры при расчете прочности по наклонным сечениям для усиливаемого элемента и хомутов усиления;

            А_sw, А_sw,s – площадь сечения поперечной арматуры в усиливаемом элементе и хомутов усиления;

            S, S_s – шаг поперечных стержней в усиливаемом элементе и шаг дополнительных хомутов

            g_ss = 0,85 – коэффициент условий работы хомутов усиления.

            При наклонных хомутах усилие, воспринимаемое дополнительными наклонными хомутами на единицу длины элемента, будет определяться по формуле

                        q_sw,s = ,

где a - угол наклона дополнительных хомутов к оси элемента.

 

 

 

Расчет прочности наклонных сечений железобетонных изгибаемых элементов при устройстве наращиваний, рубашек и обойм.

 

усиления;

b, b_s’ – ширина соответственно усиливаемого элемента и конструкции усиления;

h₀, h_0,s – рабочая высота сечения усиливаемого элемента и конструкции усиления;

с, с_s – длина проекции наиболее опасного сечения на продольную ось элемента соответственно для усиливаемого элемента и конструкций усиления.

                        с₀ = ;        с_0,s = ;

c₀, c_0,s – принимаются не более соответственно 2h₀  и 2h_0,s  и не менее h₀ и h_0,s, если с>h_0, с_s >h_0,s.

            При этом

                        Q_{sw =} q_sw c₀;

                        Q_{sw,s =} q_sw,s c_0s;

                        q_sw = ;  q_sw,s =  - погонные усилия в хомутах усиливаемого элемента и конструкций усиления соответственно;

            R_sw, R_sw,s – расчетные сопротивления арматуры при расчете прочности по наклонным сечениям для усиливаемого элемента и конструкций усиления;

            А_sw, А_sw,s – площадь сечения поперечной арматуры в усиливаемом элементе и конструкции усиления;

            S, S_s – шаг поперечных стержней в усиливаемом элементе и конструкции усиления;

            g_ss = 0,85 – коэффициент условий работы конструкций усиления.

 

 

 

 

Усиление моногопустотных плит наращиванием сечений

 

 

            Происходит увеличение плеча внутренней пары сил и                                               Помимо описанных рядом явлений, происходит

собственного веса перекрытия. Особенно важно обеспечить                          усиление наклонных сечений. Вскрытие пустот плиты

прочность контактного шва. Применяются вязанные или сварные                следует выполнять с временными разгружающими

арматурные сетки, инвентарные фиксаторы для обеспечения                                    подпорками, демонтируемыми после набора бетоном

заданного положения сеток, мелкозернистый бетон В15-В25 или                 проектной прочности.

цементно-песчаный раствор М50-М100.                                                             

 

 

 

 

Вскрытие пустот выполняется после установки разгружающих конструкций – подпорок, стоек и т.п. Происходит усиление нормальных и наклонных сечений при минимальном увеличении жесткости. Обетонирование стальных элементов обеспечивает их антикоррозионную защиту. Существенного увеличения толщины перекрытия не происходит.

Данный метод позволяет увеличить несущую способность перекрытия путем повышения приведенной площади сечения растянутой арматуры, в том числе неметаллической. В качестве полимерных составов могут применяться силикатные, поливинил-ацетатные и эпоксидные композиции. В случае использования тканых материалов следует выполнять финишный накрывочный слой.

 

 

Установка разгружающих элементов

 

 

 

 

 

При подведении разгружающих балок происходит усиление нормальных и наклонных сечений. Существенное увеличение жесткости системы происходит при обеспечении прочности контактного шва. Рекомендуется заполнять или зачеканивать швы между плитой и балками клеющими полимерсодержащими составами. Использование метода ограниченно, так как приводит к увеличению общей высоты ( толщины ) перекрытия.

Метод применим для усиления плит покрытия, так как приводит к появлению на верхней поверхности диска стальных элементов. Справедливы рекомендации по упрочнению контактного шва. В случае усиления покрытия необходимо обеспечить надлежащее антикоррозионное покрытие стальных элементов и утепление, в том числе балок. Рекомендуется использовать оцинкованные шпильки и гайки.

 

 

 

 

Эффективный способ усиления большепролетных плит покрытия. Для получения большего эффекта необходимо следить за равномерной подклинкой узлов сопряжения плиты и фермы. Во избежание выпадения клиньев их следует зафиксировать прихватками сваркой.

Использование данного метода возможно при обеспечении устойчивости шпренгельных балок в вертикальной плоскости.

 

 

 

 

Метод применим для усиления плит покрытий. См. примечания для «Подведение разгружающих балок сверху»

Наиболее простой и надежный, но материалоемкий способ усиления. Масса металла для усиления 6-ти метровой плиты покрытия составляет около 220-240 кг. Зачастую не применим из-за невозможности доставки балки в зону монтажа – насыщенность оборудованием, коммуникациями и т.д. Кроме того, существуют серии плит перекрытия/покрытия с «глухими» торцами, не позволяющими опереть балку усиления.

 

 

 

 

Усиление пустотных и ребристых плит горизонтальными и шпренгельными затяжками

 

 

 

Эффективные методы усиления, так как позволяют включать монтируемые элементы в работу. Значительно менее материалоемкие, чем подведение балок, но с большим количеством метизов. Напряжения при проектировании затяжек и анкерных хомутов следует принимать в пределах упругой работы стали - s = 80-100 МПа для сталей марок Вст3. Скрытые поверхности стальных деталей должны иметь надежное антикоррозионное покрытие. Момент затяжки стандартных гаек, используемых для натяжения, принимается в зависимости от диаметра затяжки и типа резьбы.

 

 

 

 

 

Метод применим при наличии достаточных зазоров между плитами. Для эффективной работы усиления необходимо надежное крепление нижних и верхних опор, предотвращающее продергивание и ослабление натяжения. См. рекомендации по антикоррозионному покрытию и резьбовым соединениям.

Условие надежной работы усиления – обеспечение устойчивости шпренгеля. См. рекомендации по резьбовым соединениям.

 

 

 

 

Усиление опорных узлов пустотных и ребристых плит

 

 

 

 

Надежный, эффективный способ позволяющий получить соответствующий расчетам, необходимый эффект. Ограниченно применение для усиления плит покрытия из-за необходимости вскрытий конструкций кровли.

Простой, надежный способ изменения изначальной проектной расчетной схемы работы пустотных плит. Позволяет снизить величины пролетных моментов.

 

 

 

 

Способы, позволяющие усилить узел опирания ребристых плит, в зависимости от возможности размещения протезных элементов. См. рекомендации по антикоррозионным покрытиям и резьбовым соединениям.

 

 

 

 

Проектирование усиления железобетонных стропильных балок или ферм шарнирно-стержневыми цепями, горизонтальными и шпренгельными затяжками. Конструктивные требования..

 

 

 

Рис. 1. Установка шарнирно-стержневой цепи с подвесками ( а ) и распорками ( б ).

 

Способы, позволяющие усилить стропильные балки или фермы, с размещением элементов усиления в пределах габарита конструкции ( а ) и с некоторым его увеличением ( б ). При этом увеличение кривизны приводит к значительному снижению усилий в элементах затяжки, работающей по вантовой схеме. В обоих случаях важное значение имеет равномерность величин усилий в подвесках и подпорках, а так же надежность опорных узлов.

 

 

 

Рис. 2. Усиление стропильных балок шпренгельной ( а ) и горизонтальной ( б ) напрягаемыми затяжками.

 

Шпренгель позволяет эффективно усилить наклонные и нормальные сечения конструкции. См. рекомендации по назначению напряжений в элементах усиления.

Способ предполагает монтаж элементов усиления – траверс, опорных узлов и горизонтальных затяжек с последующим сближением параллельных ветвей стяжными хомутами. См. рекомендации по назначению величин напряжений в элементах усиления.