«ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕКОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ Учебно-методический комплекс В трех частях Часть 2 Д. Н. Лазовский ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ И УСИЛЕНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ Допущено Министерством образования Республики ...»

Рис. 8.6. Усиление сборных многопустотных плит предварительно напряженной арматурой: а – плиты в момент предварительного напряжения арматуры; б – усиленная плита, 1 – усиливаемая плита, 2 – дополнительная арматура, 3 – временная ограничительная пластина, 4 – бетон, 5 – натяжной болт, 6 – опалубка Дополнительная арматура для усиления растянутой зоны сборных панелей может устанавливаться в расширенный шов между плитами с последующим бетонированием. При этом должна обеспечиваться совместная работа дополнительной арматуры с усиливаемыми панелями путем устройства насечки, шпонок на боковых гранях смежных плит, а также применением полимеррастворов с высокими адгезионными свойствами.

Сборные железобетонные элементы усиления (обычные и предварительно напряженные) должны быть запроектированы на нагрузки, действующие в период изготовления, транспортирования и монтажа в соответствии с [8]. Класс бетона элементов усиления должен быть не ниже фактической прочности бетона усиливаемой конструкции. Толщина сборного железобетонного элемента с дополнительной арматурой принимается не менее 50 мм. Количество сборных железобетонных элементов, размещенных по ширине сечения усиливаемой конструкции, может быть один и более.

Расчет железобетонных элементов, усиленных установкой дополнительной арматуры в растянутой зоне, производится как элементов сплошного сечения (при условии обеспечения совместной работы) в соответствии с [8] в предположении, что предельное состояние усиленных конструкций наступает одновременно с достижением существующей и дополнительной арматурой расчетных сопротивлений.

При этом в расчете усиления, как и при поверочных расчетах конструкций до усиления, учитываются неисправляемые повреждения и дефекты (коррозия или обрывы арматуры, повреждения бетона в сжатой зоне и т.д.), а также возможные ослабления арматуры при сварке уменьшением на 15 % площади поперечного сечения существующей и дополнительной арматуры усиливаемых элементов, снижающих их прочность.

Расчет прочности конструкций с усиленной растянутой зоной производится из условий:

для внецентренно сжатых где h и y – соответственно высота сечения и расстояние от растянутой грани до центра тяжести сечения усиливаемой конструкции.

Высота сжатой зоны определяется из условий:

для внецентренно растянутых N = f A + f для внецентренно сжатых N Sd Расчетная схема представлена на рис. 8.7.

Рис. 8.7. Расчетная схема элементов с усиленной растянутой зоной:

а – поперечное сечение элемента; схема усилий в сечении элементов:

б – изгибаемых; в – внецентренно сжатых; г – внецентренно растянутых При этом должно соблюдаться условие где d red – приведенная рабочая высота сечения определяется по формуле если условие (8.6) не выполняется, то необходимо одновременно усиление сжатой зоны конструкции;

lim – граничная относительная высота сжатой зоны сечения. При определении lim в соответствии с [8] напряжения в растянутой арматуре принимаются по арматуре (существующей или дополнительной) с более высоким расчетным сопротивлением.

Расчет прочности сечений элементов с усиленной растянутой зоной, имеющих полку в сжатой зоне, производится в зависимости от положения границы сжатой зоны.

Расчет центрально-растянутых элементов, усиленных приваркой дополнительной арматуры, производится из условия В случае усиления растянутой зоны конструкций дополнительной арматурой без предварительного напряжения под нагрузкой, превышающей 65 % расчетной, расчет должен производиться по деформационной модели или к расчетному сопротивлению дополнительной арматуры вводиться понижающий коэффициент s,ad = 0,9.

При усилении растянутой зоны конструкций дополнительной арматурой необходимо выполнять проверку прочности зоны среза на действие увеличенной поперечной силы.

8.4. Расчет прочности контактного шва в растянутой зоне Длина анкеровки (контактного шва) существующей рабочей арматуры, к которой приваривают дополнительную арматуру, для сечения, в котором они учитываются с полным расчетным сопротивлением, определяется по [8] с учетом коэффициента Расчет прочности контактного шва между элементами усиления и усиливаемой конструкцией (при обеспечении совместной работы приклеиванием) производится по сечению, нормальному к продольной оси конструкции, из условия Сдвигающее усилие в контактном шве от внешней нагрузки в месте воздействия изгибающего момента МSd определяется из условия равновесия сил в сечении (рис. 8.8) Предельное сдвигающее усилие, воспринимаемое контактным швом, определяется по формуле f cd, sh = 1,58 f ctd – расчетное сопротивление бетона срезу; Ash – плогде щадь контактного шва: Ash = lsh b – для листовой арматуры сборных железобетонных элементов; Ash = lsh ( b1 + 2h1 ) – для стержневой арматуры, вклеиваемой в пазах; b1, h1 – ширина и глубина паза; lsh – расчетная длина контактного шва, принимается равной расстоянию от рассматриваемого нормального сечения до торца, уменьшенному с учетом возможного отклонения направления развития трещины на величину h (высота поперечного сечения элемента); an – коэффициент условий работы анкера при сдвиге;

Aani – расчетное сопротивление растяжению и суммарная площадь f yd, поперечного сечения анкерных стержней на расчетной длине контактного шва lsh ; – коэффициент, определяемый по формуле При комбинированной анкеровке дополнительной арматуры (приклеивание по контакту плюс анкеры) an = 0,5. При обеспечении анкеровки дополнительной арматуры только за счет анкеров an = 1.

';

Глубина и диаметр шурфа под анкер в усиливаемой конструкции подбирается в зависимости где O0 и l0 – диаметр и глубина шурфа под анкер.

1. Приведите примеры обеспечения дальнейшей надежной эксплуатации конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений путем изменения условий их работы.

2. Каким требованиям должны удовлетворять железобетонные конструкции после усиления?

3. Каким образом устанавливается вероятная схема разрушения железобетонных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений?

4. Изложите условную классификацию методов усиления железобетонных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений.

5. В каких случаях применяется комбинированное (две и более зоны) усиление эксплуатируемых железобетонных конструкций?

6. Какими методами производится замена конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений?

7. Какие факторы следует учитывать при выборе метода усиления конструкции в конкретных условиях?

8. Каким образом, в общем случае, производится усиление растянутой зоны эксплуатируемых железобетонных конструкций?

9. Как обеспечивается совместная работа дополнительной арматуры с усиливаемой конструкцией?

10. Какими факторами определяется способ и как осуществляется приварка дополнительной арматуры к существующей при усилении растянутой зоны эксплуатируемых железобетонных конструкций?

11. Какая арматура используется в качестве дополнительной рабочей арматуры с приваркой ее к существующей при усилении растянутой зоны эксплуатируемых железобетонных конструкций?

12. В каких случаях приварка дополнительной арматуры к существующей арматуре усиливаемой конструкции без предварительного разгружения не допускается?

13. Какими методами осуществляется и как контролируется предварительное напряжение дополнительной арматуры при усилении железобетонных конструкций?

14. В каких пределах устанавливается величина предварительного напряжения дополнительной арматуры?

15. Приведите примеры усиления растянутой зоны железобетонных конструкций приклеиванием дополнительной арматуры.

16. Приведите примеры усиления растянутой зоны железобетонных многопустотных панелей перекрытия установкой дополнительной арматуры.

17. Каким образом в расчете прочности по нормальному сечению усиленных железобетонных элементов учитываются неисправляемые дефекты и повреждения, а также возможные ослабления арматуры при сварке?

18. Изложите алгоритм расчета прочности по нормальному сечению усиленных в растянутой зоне железобетонных элементов.

19. Как производится проверка прочности контактного шва при усилении растянутой зоны эксплуатируемых железобетонных конструкций?

Тема 9. УСИЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

УВЕЛИЧЕНИЕМ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ В СЖАТОЙ ЗОНЕ

Усиление сжатой зоны железобетонных конструкций производится увеличением ее поперечного сечения, установкой дополнительной сжатой арматуры, ограничением поперечных деформаций, а также комбинированием названных методов.

При увеличении поперечного сечения усиливаемой конструкции совместная работа старого и нового бетона достигается устройством в старом бетоне поперечных шпонок, насечки или дополнительными поперечными арматурными стержнями, соединенными с арматурой усиливаемой конструкции.

Совместная работа дополнительной сжатой арматуры с усиливаемой конструкцией обеспечивается приваркой к существующей арматуре или приклеиванием к бетону сжатой зоны. После установки в проектное положение дополнительная арматура обетонируется или покрывается антикоррозионными и огнезащитными составами.

Увеличение поперечного сечения сжатой зоны усиливаемой конструкции производится устройством из бетона: наращивания (рис. 9.1), рубашек (рис. 9.2) или обойм (рис. 9.3).

Рис. 9.1. Усиление сжатой зоны сборных плит наращиванием: 1 – усиливаемая плита, 2 – шпонки, 3 – бетон наращивания, 4 – арматура наращивания Наращивание выполняется со стороны одной или двух граней усиливаемой конструкции. Применяется для усиления сжатой зоны плитных и балочных конструкций, крайних и угловых колонн зданий.

Железобетонная рубашка устраивается с трех сторон усиливаемой конструкции, когда отсутствует возможность охватить поперечное сечение со всех четырех сторон (крайние колонны, балки монолитного перекрытия, продольные ребра ребристых плит и т.п.). При устройстве рубашек следует обеспечивать анкеровку дополнительной поперечной арматуры со свободным концом путем ее приварки к арматуре усиливаемой конструкции или заанкериванием с помощью продольных стержней.

Рис. 9.2. Усиление монолитной балки и колонны железобетонной рубашкой:

1 – усиливаемая балка, 2 – усиливаемая колона, 3 – отверстия в плите, 4 – поперечная арматура обоймы, 5 – насечка поверхности, 6 – оголенная арматура колонны, 7 – наружная стена, 8 – анкерные стержни Рис. 9.3. Усиление ребристых плит и колонны железобетонной обоймой:

1 – усиливаемая плита, 2 – усиливаемая колона, 3 – бетон обоймы, 4 – продольная арматура обоймы, 5 – поперечная арматура обоймы, 6 – насечка поверхности Железобетонные обоймы охватывают поперечное сечение усиливаемой конструкции со всех четырех сторон и рекомендуются для конструкций с малыми эксцентриситетами приложения сжимающих сил.

При увеличении поперечного сечения сжатой зоны минимальный процент продольного армирования рубашек или обойм составляет min = 0,05%. Поперечная арматура принимается диаметром не менее 6 мм и устанавливается с шагом где и t – соответственно диаметр продольной арматуры и толщина обоймы (рубашки).

В местах возможной концентрации напряжений, а также по концам усиливаемой конструкции на длине lsh (см. далее формулу (9.1)) шаг хомутов уменьшается вдвое.

Толщина наращивания, рубашек и обойм определяется расчетом и принимается с учетом условий укладки и уплотнения бетонной смеси. Минимальная толщина составляет:

при укладке бетона вибрированием (крупность заполнителей не более 20 мм):

для плит перекрытий: сверху – 35 мм, снизу – 60 мм;

при укладке бетона торкретированием:

для плит перекрытий снизу – 35 мм при крупности заполнителя не более 10 мм.

Класс бетона обойм, рубашек и наращивания рекомендуется принимать не ниже класса бетона усиливаемой конструкции и не ниже класса бетона в соответствии с [8] в зависимости от условий эксплуатации и характеристики окружающей среды.

Для усиления поврежденного участка устраивается местная железобетонная обойма или рубашка (рис. 9.4), которая должна выходить за пределы поврежденного участка на длину где t – толщина обоймы рубашки; lbd – расчетная длина анкеровки арматуры обоймы или рубашки; h – больший размер поперечного сечения усиливаемой конструкции.

Рис. 9.4. Усиление поврежденного участка колонны местной железобетонной обоймой: 1 – поврежденный участок, 2 – бетон обоймы, 3 – уголок, 4 – соединительные стержни, Перед устройством наращивания, обойм, рубашек осуществляют подготовку поверхности усиливаемой конструкции: очищают от загрязнений и пыли, жировых пятен; выполняют насечку или поперечные шпонки с шагом не более 500 мм; промывают водой, сушат, смачивают перед бетонированием. При этом должно учитываться временное ослабление сечения сжатой зоны конструкции при насечке или устройстве шпонок.

Для улучшения сцепления нового бетона со старым, кроме насечки, для местной обоймы рекомендуется выполнять адгезионную грунтовку полимерраствором.

Приварка дополнительной сжатой арматуры к существующей арматуре усиливаемой конструкции (рис. 9.5) осуществляется аналогично растянутой арматуре (см. тему 8). Коротыши и участки соединения скоб в сжатой зоне располагаются по длине конструкции с шагом не более ( – диаметр дополнительной продольной арматуры) и не более 500 мм.

Рис. 9.5. Усиление сжатой зоны конструкций наращиванием с установкой дополнительной арматуры: а – крайней колонны; б – сборного ригеля;

1 – усиливаемая конструкция, 2 – бетон наращивания, 3 – дополнительная арматура, 4 – скобы, 5 – оголенная арматура, 6 – легкий бетон, 7 – наружная стена При обеспечении совместной работы дополнительной сжатой арматуры с усиливаемой конструкцией приклеиванием с помощью полимеррастворов (рис. 9.6) работы производятся аналогично приклеиванию дополнительной арматуры в растянутой зоне с установкой по концам анкеров.

Усиление сжатых конструкций путем ограничения поперечных деформаций при xeff lim d производят установкой дополнительной косвенной спиральной или кольцевой арматуры, которую эффективно предварительно напрягать. Усиление косвенной арматурой при xeff < lim d малоэффективно.

Шаг навивки спиралей или шаг колец – не более 1/5 диаметра сечения элемента и не более 100 мм. Спирали и кольца должны охватывать всю рабочую продольную арматуру.

С целью повышения эффективности работы и уменьшения потерь предварительного напряжения при натяжении перед выполнением спиральной обмотки или монтажом кольцевой арматуры сжатых конструкций по граням или углам устанавливают дополнительные бетонные (рис. 9.7, а) или стальные (рис. 9.7, б) элементы с криволинейной поверхностью. После монтажа арматуры производят натяжение спиральной арматуры с помощью домкрата, а кольцевой – с помощью натяжных болтов. Для уменьшения силы трения при натяжении поверхность покрывают смазкой.

Рис. 9.6. Усиление сжатой зоны конструкции приклеиванием: а – сборных железобетонных элементов; б – дополнительной листовой арматуры; 1 – усиливаемая конструкция, 2 – сборный железобетонный элемент с продольной рабочей арматурой, 3 – листовая арматура, 4 – полимерраствор, 5 – монолитный бетон зачеканки При заполнении дополнительных стальных элементов с криволинейной поверхностью бетоном на напрягающем цементе и его твердении создается плотный контакт с усиливаемой конструкцией.

В случае полной разгрузки усиливаемой конструкции на момент устройства усиления спирали (кольца) могут быть выполнены без предварительного напряжения. Для устройства спиральной обмотки оголяют продольную арматуру по углам усиливаемой конструкции, затем по окружности обмотки устанавливают дополнительную продольную арматуру.

После навивки спиральной арматуры устанавливают опалубку и обетонируют усиливаемую конструкцию (рис. 9.7, в).

Рис. 9.7. Усиление сжатых элементов установкой косвенной арматуры:

а – кольцевой; б, в – спиральной; 1 – усиливаемая колонна, 2 – дополнительный бетонный элемент, 3 – кольцевая арматура, 4 – дополнительная сжатая арматура, 5 – спиральная арматура, 6 – пластина с выступами, 7 – дополнительный стальной элемент, 8 – бетон на напрягающем цементе, 9 – стальная стяжка Расчет железобетонных конструкций, усиленных увеличением поперечного сечения сжатой зоны и установкой дополнительной сжатой арматуры производится в предположении совместной работы дополнительного бетона и арматуры с усиливаемой конструкцией и возможной схемой разрушения элемента после усиления по растянутой зоне.

В этом случае расчет прочности усиленных конструкций прямоугольного поперечного сечения производят по следующим формулам:

а) для наращивания, если соблюдается условие для изгибаемых то есть при xeff had расчет производится, как для элемента, выполненного из одного класса бетона (рис. 9.8, а);

и внецентренно сжатых где e – расстояние от продольной силы до центра тяжести растянутой арматуры.

При этом высота сжатой зоны определяется из условия для внецентренно растянутых N Sd + f cd, ad bx eff + s, ad, lim As 2, ad = f yd As1, (9.4) для внецентренно сжатых N Sd если условие (9.2) не соблюдается, расчет производится с учетом различных классов бетона в расчетном сечении (рис. 9.8, б) растянутых и внеf cd, ad b had d + ad + s,lim, ad As 2, ad d + had c1,ad где xeff определяется из условия для внецентренно растянутых б) для обоймы, если соблюдается условие для внецентренно растянутых N Sd + f yd As1 + f yd, ad As1, ad s, lim, ad As 2, ad + то есть xeff had, расчет производится, как для элемента шириной (b + bad ), выполненного из одного класса бетона (рис. 9.9, а).

Рис. 9.8. Схемы усилий и эпюры напряжений в нормальном сечении усиленного наращиванием элемента при условии xeff xeff,lim : а – при xeff had ; б – при xeff > had Если условие (9.7) не соблюдается, расчет производится с учетом различных классов бетона (рис. 9.9, б) xeff определяется из условия где для изгибаемых для внецентренно растянутых N В выражении (9.8): e – расстояние от внешней продольной силы до центра тяжести существующей и дополнительной арматуры; d red – приведенная рабочая высота сечения.

Рис. 9.9. Схемы усилий и эпюры напряжений в нормальном сечении элемента, усиленного обоймой (рубашкой), при условии xeff xeff,lim :

При x eff > xeff,lim в условиях прочности (9.3), (9.5), (9.8) принимается x eff = x eff,lim.

При экономическом обосновании усиление железобетонных конструкций наращиванием, обоймами или рубашками может производиться при xeff lim d за счет увеличения рабочей высоты сечения. Усиление таким способом дает возможность разместить верхнюю надопорную арматуру неразрезных конструкций при усилении растянутой зоны опорного сечения.

Расчет прочности центрально сжатых элементов, усиленных железобетонной обоймой, производится из условия где – коэффициент продольного изгиба; Ac,ad и As2,ad – соответственно площадь поперечного сечения бетона и арматуры обоймы.

При выполнении усиления сжатой зоны конструкции под нагрузкой, превышающей 65 % расчетной, расчет производится по деформационной модели или к расчетному сопротивлению дополнительной арматуры и бетона вводятся понижающие коэффициенты s,ad = 0,9 и c,ad = 0,9.

Расчет прочности сжатых элементов, усиленных спиральной или кольцевой поперечной арматурой в общем случае производится из условия (9.10), вводя в расчет лишь часть площади бетонного сечения Aeff, ограниченную осью спирали, подставляя в расчетные формулы вместо fcd приведенную призменную прочность бетона fcd,red.

Значение f cd, red определяется по формуле где Ac и Ac,ad,eff – соответственно площадь поперечного сечения бетона усиливаемой конструкции и бетона усиления внутри площади, ограниченной осью спирали; µcir – коэффициент косвенного армирования:

As, cir – площадь поперечного сечения спиральной или кольцевой арматуры; eff – диаметр сечения внутри спирали; e0 – эксцентриситет приложения продольной силы (без учета влияния прогиба).

Косвенное армирование учитывается в расчете при условии, что прочность усиленной конструкции, определенная с учетом f cd, red и площади поперечного сечения Aeff, ограниченной осью спиральной или кольцевой арматуры, превышает его прочность, определенную по полному сеAc + Ac, ad ) 9.3. Расчет прочности контактного шва в сжатой зоне Расчет прочности контактного шва между дополнительными бетоном (арматурой) сжатой зоны и усиливаемой конструкцией производится из условия Сдвигающее усилие в шве от внешней нагрузки со стороны свободной опоры определяется из условия равновесия сил в сечении, нормальном к продольной оси конструкции. Предельное значение сдвигающего усилия TSd в месте наибольшего изгибающего момента (рис. 9.10) определяется по формуле где Ac, ad, As 2, ad – соответственно площадь поперечного сечения сжатой зоны бетона и сжатой арматуры наращивания.

Рис. 9.10. Схема для определения усилий и расчетной длины контактного шва Длина поверхности сдвига lsh принимается равной расстоянию от торца усиливаемой конструкции до рассматриваемого нормального сечения. Для сжатых конструкций, усиленных железобетонной обоймой или рубашкой с передачей нагрузки только на усиливаемую конструкцию (например, местная обойма), длина поверхности сдвига определяется расстоянием от начала поврежденного участка до конца обоймы.

Предельное сдвигающее усилие, воспринимаемое контактным швом, определяется по формуле где f sh, d – среднее по длине участка суммарное расчетное сопротивление сдвигу контактного шва; bsh – расчетная ширина поверхности сдвига.

В общем случае среднее суммарное расчетное сопротивление сдвигу контактного шва принимается равным где f c, sh – сопротивление шва сдвигу за счет сцепления, механического зацепления и обжатия бетона; f s, sh – сопротивление шва сдвигу за счет работы на срез дополнительной поперечной арматуры, пересекающей шов;

f n, sh – сопротивление шва сдвигу за счет работы поперечных шпонок.

При учете в расчетах работы поперечных шпонок сопротивление шва сдвигу f c, sh не учитывается.

При учете совместной работы шпонок и дополнительной поперечной арматуры расчетное сопротивление контактного шва сдвигу принимается равным n1, n 2 – коэффициенты, равные:

где Сопротивление контактного шва сдвигу f cd, sh определяется по формуле где = 0,75 – коэффициент, учитывающий длительность действия нагрузки; c – коэффициент, учитывающий влияние многократно повторяющейся нагрузки, равен: c1 = 0,65 при коэффициенте асимметрии цикла нагружений = 0,3 и c = 0,75 при = 0,6, (применение плоского гладкого неармированного контакта при действии многократно повторяющейся нагрузки не допускается); c, sh1 – коэффициент, учитывающий влияние состояния поверхности контактного шва, принимается в интервале 0,3…0,8;

f ctd – расчетное сопротивление бетона более низкого класса из сопрягаемых; c, sh 2 – коэффициент, учитывающий влияние состояния поверхности контактного шва при его обжатии, принимается в интервале 0,8…2,2; c, m – среднее напряжение обжатия контактного шва При расчете прочности контактных швов у неразрезных опор принимается Сопротивление шва сдвигу f s, sh за счет работы поперечной арматуры определяется по формуле где f cd – расчетное сопротивление бетона усиления сжатию; Es – моA дуль упругости поперечной арматуры; µ sw = sw – коэффициент попеbsh Sad речного армирования; Sad – шаг дополнительных поперечных стержней.

Сопротивление шва сдвигу за счет работы поперечных бетонных шпонок определяется как меньшее значение из условий среза и смятия:

где bn, hn, lni – ширина, высота и длина шпонок; n – число шпонок на расчетной поверхности сдвига.

Расчетная ширина bsh принимается равной ширине контакта в месте сопряжения усиливаемой конструкции и бетона наращивания. Для сжатых конструкций, усиленных обоймой или рубашкой с передачей нагрузки только на конструкцию, bsh принимается равной сумме сторон поперечного сечения усиливаемой конструкции, сопряженных с бетоном усиления.

1. Каким образом, в общем случае, производится усиление сжатой зоны эксплуатируемых железобетонных конструкций?

2. Как обеспечивается совместная работа дополнительного бетона и арматуры с усиливаемой конструкцией при усилении ее сжатой зоны?

3. Какими методами производится увеличение поперечного сечения сжатой зоны железобетонных конструкций?

4. Назовите конструктивные требования при увеличении поперечного сечения сжатой зоны железобетонных конструкций путем наращивания, рубашек или обойм.

5. Какие конструктивные требования необходимо выполнять при усилении поврежденного участка сжатой железобетонной конструкции местной железобетонной обоймой?

6. Приведите примеры усиления со стороны сжатой зоны железобетонных панелей перекрытия.

7. В каких случаях и как производится усиление сжатых железобетонных конструкций путем ограничения поперечных деформаций?

8. Изложите алгоритм расчета прочности по нормальному сечению усиленных в сжатой зоне изгибаемых железобетонных элементов.

9. Как производится проверка прочности усиленных центрально-сжатых железобетонных элементов?

10. В чем заключается особенность поверочного расчета прочности по нормальному сечению железобетонных элементов, усиленных спиральной или кольцевой арматурой?

11. Как производится проверка прочности контактного шва при усилении сжатой зоны эксплуатируемых железобетонных конструкций?

Тема 10. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ

ЭЛЕМЕНТОВ, УСИЛЕННЫХ УВЕЛИЧЕНИЕМ ПОПЕРЕЧНОГО

СЕЧЕНИЯ, НА ОСНОВЕ ДЕФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ

Расчет прочности и параметров напряженно-деформированного состояния на любом этапе деформирования железобетонных элементов, усиленных увеличением поперечного сечения с обеспечением совместной работы дополнительного бетона и арматуры с усиливаемым элементом по всей длине контакта, производится на основе деформационной модели.

Деформационная модель расчета позволяет в полной мере учитывать особенность работы усиленных под нагрузкой железобетонных элементов, которые после усиления превращаются в многокомпонентную конструкцию, состоящую из основной части, находящейся в определенном напряженно-деформированном состоянии, и дополнительной части – в первоначальном состоянии.

Для расчета усиленных железобетонных элементов принимаются те же гипотезы, что и при выполнении поверочных расчетов эксплуатируемых железобетонных конструкций (см. тему 4). Аналогично сечению основной части элемента, поперечное сечение дополнительной части разбивается на элементарные площадки или при плоской задаче – на элементарные слои. Гипотеза плоских сечений для относительных деформаций всего сечения усиленного под нагрузкой железобетонного элемента, состоящего из основной и дополнительной части, не выполняется, поскольку при усилении в основной части сечения уже имеются относительные деформации от воздействия нагрузки. Учитывая совместную работу основной и дополнительной частей сечения после усиления, принимается гипотеза плоских сечений отдельно для относительных деформаций дополнительной части и для приращений относительных деформаций основной части конструкции после усиления. Тогда относительные деформации элементарного слоя основной части сечения элемента представляются как сумма относительных деформаций до усиления и относительных деформаций после усиления.

При этом параметры диаграмм состояния бетона и арматуры усиливаемой конструкции определяются по проектным данным или результатам испытаний, а дополнительного бетона и арматуры – по СНБ 5.03.01-02.

10.2. Расчет прочности усиленных элементов по сечению, Расчет прочности железобетонных элементов, усиленных увеличением поперечного сечения в растянутой и сжатой зонах, под нагрузкой производится в два этапа. На первом этапе вычисляют относительные деформации элементарных площадок усиливаемого элемента от действующей при усилении нагрузки, которые согласно гипотезе плоских сечений определяются кривизной 1 r, их расстоянием от центра тяжести сеy0 yi ) На втором этапе расчет производится для усиленного сечения элемента методом последовательного нагружения с реализацией итерационного процесса вычисления относительных деформаций в элементарных площадках.

Относительные деформации в элементарных площадках сечения усиленного элемента (рис. 10.1) определяются из условий:

для изгибаемых элементов:

для внецентренно сжатых (растянутых) элементов:

Рис. 10.1. Расчетное сечение (а) и распределение деформаций усиленного железобетонного элемента: б – изгибаемого; в – внецентренно сжатого Значения, yo, c, yo, ad определяются из совместного решения уравнений:

для изгибаемых элементов:

для внецентренно сжатых (растянутых) элементов:

rc rad r где 1 r – кривизна основного (усиливаемого) элемента от действующей при усилении нагрузки; 1 rad – кривизна дополнительного (усиливающего) элемента от действующей нагрузки после усиления; 1 rc – кривизна основного элемента от действующей после усиления нагрузки; y0 – расстояние от выбранной оси до центра тяжести сечения основного элемента при усилении; y0,ad – расстояние от выбранной оси до центра тяжести сечения дополнительного элемента после усиления; y0,c – расстояние от выбранной оси до центра тяжести сечения основного элемента после усиления; M Sd, N Sd – соответственно изгибающий момент и продольное усилие от действующей при усилении нагрузки (растягивающее усилие принимается со знаком «плюс», сжимающее – «минус».); M Sd, N Sd – приращение соответственно изгибающего момента и продольного усилия от дополнительной нагрузки, приложенной после усиления; i, j – количество элементарных площадок соответственно в основном и дополнительном сечении усиленного железобетонного элемента.

На каждой ступени нагружения из первых двух уравнений систем (10.5) и (10.6) методом итераций определяются неизвестные 1 rad, y0, ad.

Из третьего и четвертого уравнений вычисляются 1 rc, y0, c. По формулам (10.1) … (10.4) определяются относительные деформации элементарных площадок основного и дополнительного сечения.

При расчете по деформационной модели железобетонных элементов, усиленных увеличением поперечного сечения, в случае косого изгиба и косого внецентренного сжатия-растяжения расчет производится относительно двух осей.

Относительные деформации в элементарных площадках сечения усиленного железобетонного элемента (рис. 10.2) определяются из условий:

для косоизгибаемых элементов:

в дополнительном сечении Рис. 10.2. Расчетная схема кососжатого железобетонного элемента, деляются из совместного решения уравнений:

для косоизгибаемых элементов для кососжатых элементов где, – кривизны основного элемента от действующей при усиr y r x лении нагрузки соответственно в плоскости оси y и x ;, – кривизны дополнительного элемента от нагрузки после усиления соответственно в плоскости оси y и x ;, – кривизна основного элеrc y rc x мента от действующей после усиления нагрузки соответственно в плоскости оси y и x ; yo, xo – расстояния от выбранных осей до центра изгиба сечения усиливаемого элемента при усилении соответственно в плоскости оси y и x ; yo, ad, xo, ad – расстояния от выбранных осей до центра изгиба сечения дополнительного элемента после усиления соответственно в плоскости оси y и x ; yo, c, xo, c – расстояния от выбранных осей до центра изгиба сечения основного элемента после усиления соответственно в плоскости оси y и x ; M y, M x и N – составляющие изгибающего момента соответственно в плоскости оси y и x и продольная сила от действующей при усилении нагрузки; M x, M y и N – составляющие приращения изгибающего момента соответственно в плоскости оси y и x и продольного усилия от дополнительной нагрузки, приложенной после усиления; i, j – количество элементарных площадок соответственно в основном и дополнительном сечении усиленного железобетонного элемента.

Из первых трех уравнений систем (10.11) и (10.12) методом итераций определяются неизвестные (1 rad ) y, (1 rad ) x, yo, ad, xo, ad. Из последних четырех уравнений вычисляются (1 rc ) y, (1 rc ) x, yo, c, xo, c. По формулам (10.7)…(10.10) определяются относительные деформации элементарных площадок основного и дополнительного сечения.

Прочность усиленного элемента устанавливается методом последовательного нагружения. Максимальное усилие от внешней нагрузки, при котором относительные деформации бетона или арматуры (основного или дополнительного сечений) достигают предельных значений, соответствует прочности усиленного элемента.

Расчет прочности железобетонных элементов, усиленных увеличением поперечного сечения в растянутой и сжатой зонах при полной предварительной разгрузке, производится для увеличенного сечения в один этап, как при поверочных расчетах.

10.3. Особенности расчета раскрытия трещин и деформаций В действующих нормативных документах введены ограничения раскрытия трещин в железобетонных элементах и их прогибов, которые распространяются и на усиленные железобетонные элементы.

Расчет раскрытия трещин производится по зависимостям (4.21)…(4.25) при значениях относительных деформаций в арматуре усиленных элементов, вычисленным по нормативным диаграммам материалов.

Деформации железобетонных элементов после усиления могут быть вычислены по формулам строительной механики. Например, для изгибаемых элементов пролетом leff прогиб в сечении с координатой x, обусловленный деформацией изгиба, определяется по формуле где M ( x) – изгибающий момент в сечении x от действия единичной силы, приложенной по направлению искомого перемещения; – криr ( x) визна элемента в сечении x от нагрузки, при которой определяется прогиб.

Величина деформаций усиленных железобетонных конструкций в зависимости от метода усиления и предъявляемых требований может отсчитываться от первоначального состояния усиливаемой конструкции или состояния конструкции после усиления. Например, если усиление элементов железобетонного перекрытия осуществляется увеличением поперечного сечения путем наращивания снизу и предельно допустимые прогибы установлены исходя из конструктивных и эстетических требований, отсчет назначается от состояния перекрытия после усиления. В этом случае в расчет вводится дополнительная кривизна сечения после усиления.

1. Какие особенности работы железобетонных элементов, усиленных увеличением поперечного сечения под нагрузкой, позволяет учитывать деформационная модель расчета?

2. Какие гипотезы принимаются при расчете усиленных железобетонных элементов на основе деформационной модели?

3. В чем заключается особенность применения гипотезы плоских сечений для железобетонных элементов, усиленных под нагрузкой?

4. Изложите алгоритм расчета прочности железобетонных элементов, усиленных увеличением поперечного сечения под нагрузкой.

5. Как на основе деформационной модели рассчитывается ширина раскрытия трещин и деформации железобетонных элементов, усиленных под нагрузкой?

Тема 11. УСИЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

УВЕЛИЧЕНИЕМ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ В ЗОНЕ ДЕЙСТВИЯ

ПОПЕРЕЧНЫХ СИЛ. УСИЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ПРИ КРУЧЕНИИ, МЕСТНОМ СЖАТИИ И ПРОДАВЛИВАНИИ

Усиление зоны среза конструкций производится увеличением их поперечного сечения путем устройства наращивания, железобетонных обойм, рубашек, а также увеличением поперечного армирования путем установки дополнительной поперечной арматуры в зоне среза с обеспечением совместной работы с конструкцией.

Дополнительная поперечная арматура принимается в виде арматурных стержней или стальных полос, нормальных или наклонных к продольной оси конструкции.

Совместная работа наращиваний, обойм, рубашек с бетоном конструкции в зоне среза обеспечивается, кроме связей сдвига (как при усилении сжатой зоны), воспринимающих сдвигающее усилие вдоль оси конструкции, устройством поперечных связей, работающих на сдвиг поперек оси конструкции в наклонном сечении. Поперечные связи выполняются в виде поперечных арматурных стержней, а также насечки и шпонок на боковых гранях усиливаемой конструкции.

Совместная работа дополнительной поперечной арматуры с усиливаемой конструкцией обеспечивается: приваркой к существующей арматуре; приклеиванием к бетону в зоне среза; закреплением концов в верхней и нижней зонах с помощью анкерных устройств. После установки в проектное положение дополнительная поперечная арматура обетонируется или покрывается антикоррозионными и огнезащитными составами.

Восстановление прочности конструкций с наклонными трещинами выполняется путем инъецирования трещин полимерраствором, позволяющим получить равнопрочное соединение частей конструкции.

При устройстве наращивания со стороны верхней и нижней граней конструкции (рис. 11.1, а) поперечные связи выполняют в виде скоб, приваренных концами к оголенной продольной арматуре конструкции и дополнительной продольной арматуре, выполняющей для них функцию анкера. Интенсивность поперечных связей на единицу длины элемента в этом случае должна быть не менее интенсивности существующего поперечного армирования:

При устройстве наращивания со стороны боковых граней конструкции (рис. 11.1, б) на них выполняют шпонки или насечку, а дополнительную поперечную арматуру соединяют сваркой с арматурой усиливаемой конструкции с помощью пластин. В случае отсутствия на боковых гранях шпонок или насечки в расчете бетон наращивания не учитывается.

Рис. 11.1. Усиление зоны среза конструкций увеличением поперечного сечения:

а – наращиванием со стороны верхней и нижней граней; б – наращиванием со стороны боковых граней: 1 – усиливаемая конструкция, 2 – бетон наращивания, 3 – скоба, 4 – пластина, 5 – дополнительная поперечная арматура, 6 – оголенная арматура конструкции, 7 – насечка поверхности Совместную работу железобетонных обойм и рубашек с усиливаемой конструкцией в зоне среза обеспечивают, кроме шпонок и насечки на контактной поверхности, установкой дополнительной поперечной арматуры (рис. 11.2). В случае устройства рубашки свободные концы поперечной арматуры приваривают к продольной арматуре конструкции или заанкеривают с помощью дополнительных анкеров (при тавровом сечении).

Дополнительная поперечная арматура может устанавливаться в подготовленных пазах с закреплением ее полимерраствором. Арматура устанавливается перпендикулярно направлению наклонных трещин (при их наличии) или под углом 45° (при отсутствии наклонных трещин) с необходимой длиной анкеровки в обе стороны от трещин, определяемой по формуле где f ywd, ad и Asw, ad – расчетное сопротивление и площадь поперечного сечения вклеиваемой арматуры; f cd, sh – расчетное сопротивление срезу бетона усиливаемой конструкции; b, h – ширина и глубина паза.

Рис. 11.2. Усиление зоны среза конструкций увеличением поперечного сечения:

а – рубашкой при прямоугольном сечении; б – рубашкой при тавровом сечении;

в – обоймой, 1 – усиливаемая конструкция, 2 – монолитный бетон, 3 – дополнительная поперечная арматура, 4 – насечка поверхности, 5 – анкерная пластина Дополнительная поперечная стержневая арматура, закрепленная по концам приваркой к существующей арматуре или с помощью анкеров, при усилении может выполняться с предварительным напряжением. Предварительное напряжение создают приданием уклона поперечным стержням путем их стягивания попарно с помощью стяжных болтов или завинчиванием гаек на концах поперечных стержней при их нагревании. После выполнения предварительного напряжения гайки на болтах заваривают. Для исключения закручивания усиливаемой конструкции напряжение в поперечных стержнях должно создаваться одновременно с обеих сторон конструкции. Величина предварительного напряжения дополнительной поперечной арматуры принимается равной 70...100 МПа.

Для закрепления дополнительной поперечной арматуры на усиливаемых конструкциях в зоне среза со стороны верхней и нижней граней устанавливают анкерные устройства в виде уголков или швеллеров (рис. 11.3, а).

При усилении конструкций таврового сечения крепежные уголки устанавливают под полкой и заанкеривают болтами, пропускаемыми через отверстия в полке (рис. 11.3, б).

Установка дополнительной поперечной арматуры, наклонной к продольной оси элемента и закрепленной по концам, выполняется в специально пробитые на боковых поверхностях борозды, которые затем заделывают полимерраствором (рис. 11.3, в).

Рис. 11.3. Усиление зоны среза конструкций установкой дополнительной поперечной арматуры: а – сборной балки; б – балки монолитного перекрытия; в – балки с наклонными стержнями, 1 – усиливаемая конструкция, 2 – уголок, 3 – швеллер, 4 – стяжной болт, 5 – болт, 6 – дополнительная поперечная арматура, 7 – накладная арматура, 8 – борозды на боковой поверхности, 9 – существующая арматура Площадь поперечного сечения дополнительной поперечной арматуры и толщина наращивания определяется расчетом.

Расчет прочности железобетонных конструкций с усиленной зоной среза на действие поперечных сил производится с учетом совместной работы элементов усиления с усиливаемой конструкцией и коэффициентов условий работы дополнительного бетона и поперечной арматуры ( c, ad, sw, ad ).

Коэффициенты условий работы бетона наращивания и дополнительной поперечной арматуры в зоне среза принимаются равными:

при отсутствии в момент усиления наклонных трещин в зоне среза при наличии в момент усиления наклонных трещин в зоне среза и усилении дополнительной поперечной арматуры с предварительным напряжением при наличии в момент усиления наклонных трещин в зоне среза и усилении дополнительной поперечной арматурой без предварительного напряжения Для обеспечения прочности по наклонной полосе между наклонными трещинами усиленной конструкции должно выполняться условие где w1 – коэффициент, учитывающий влияние хомутов, нормальных к продольной оси конструкции Asw, ad, sad – соответственно площадь поперечного сечения и шаг дополнительной поперечной арматуры;

4 = 0,01 (здесь f cd, ad в МПа);

f cd, f cd, ad – соответственно расчетное сопротивление сжатию бетона конструкции и бетона наращивания.

Расчет усиленных железобетонных конструкций на действие поперечной силы для обеспечения прочности по наклонной трещине производится (рис. 11.4) из условия где Vcd – поперечное усилие, воспринимаемое бетоном усиленной конструкции f ctd, f ctd, ad – расчетное сопротивление растяжению соответственно бетона конструкции и бетона наращивания; c 2, c3, f, N – коэффициенты, принимаемые по [8];

Vsw – поперечное усилие, воспринимаемое поперечной арматурой, нормальной к продольной оси усиливаемой конструкции sad – шаг дополнительной поперечной арматуры, принимается: при высоте сечения конструкции с учетом наращивания, равной или менее 450 мм – не более 0,5 h + had и не более 150 мм; при высоте сечения конструкции с учетом наращивания более 450 мм - не более Vs, inc – поперечное усилие, воспринимаемое дополнительной наклонной поперечной арматурой, пересекающей опасную наклонную трещину – угол наклона дополнительной поперечной арматуры к продольной оси конструкции; As, inc, ad – площадь сечения дополнительной наклонной поперечной арматуры, пересекающей опасную наклонную трещину.

Рис. 11.4. Схема усилий в наклонном сечении усиленной конструкции Длина проекции опасной наклонной трещины на продольную ось конструкции принимается из минимума выражения (Vcd + Vsw + Vs, inc ), где в выражение для Vcd вместо linc подставляется linc, cr, при этом значение linc, cr принимается не более 2 ( d + had ) и не более значения linc, а также не менее ( d + had ), если linc d + had.

При действии на усиливаемую конструкцию сосредоточенных сил значения linc принимаются равными расстояниям от опоры до точек приложения этих сил.

При действии на усиливаемую конструкцию равномерно распределенной нагрузки значение linc, cr для расчета Vsw принимается равным наименьшей из трех величин:

Тогда значение linc для расчета Vcd вычисляется в случае:

если linc, cr = linc – по формуле (а) – при усилении без наклонных трещин, (б) – то же с наклонными трещинами linc, cr = d + had – по формуле Значение поперечной силы принимается равным где Vmax – поперечная сила в опорном сечении усиливаемой конструкции.

Если перед усилением конструкции выявлены наклонные трещины в зоне среза, то длина проекции опасной наклонной трещины на продольную ось linc, cr принимается равной фактической длине проекции магистральной наклонной трещины, если она меньше ее расчетного значения.

Расстояние между поперечными стержнями усиливаемой конструкции и дополнительными поперечными стержнями, а также между концом предыдущего и началом последующего наклонного дополнительного стержня по длине зоны среза не должно превышать величины Усиление коротких консолей колонн, работающих преимущественно на срез, производится увеличением их поперечного сечения путем наращивания, а также установкой дополнительной горизонтальной или наклонной предварительно напряженной арматуры.

Наращивание консолей (рис. 11.5, а) производится, как правило, снизу с установкой дополнительной замкнутой поперечной арматуры диаметром не менее 6 мм. Класс бетона наращивания принимается не менее чем класс бетона усиливаемой консоли. Поперечная арматура наращивания соединяется с оголенной арматурой колонны. Шаг дополнительной поперечной арматуры должен быть не более четверти вылета консоли и не более 150 мм. Минимальный процент поперечного армирования принимается не менее 1 %. Необходимая высота наращивания определяется расчетом и должна составлять не менее длины вылета консоли.

При необходимости одновременного усиления консоли и сжатой зоны части колонн ниже консоли применяется наращивание на всю высоту подконсольной части колонны (рис. 11.5, б).

Рис. 11.5. Усиление коротких консолей колонн: а – наращиванием;

б – наращиванием по длине подконсольной части: 1 – усиливаемая консоль, 2 – бетон наращивания, 3 – замкнутая арматура, 4 – наклонная поперечная арматура, Дополнительную наклонную или горизонтальную поперечную арматуру устанавливают по боковым граням консолей и закрепляют по концам с помощью металлических крепежных элементов (рис. 11.6). Предварительное напряжение создают путем взаимного стягивания посредством стяжных болтов или завинчиванием гаек по концам в сочетании с нагреванием дополнительной арматуры. Необходимая площадь поперечного сечения дополнительной поперечной арматуры определяется расчетом.

Рис. 11.6. Усиление коротких консолей колонн установкой дополнительной предварительно напряженной поперечной арматуры: а, в – наклонной; б – горизонтальной, 1 – усиливаемая консоль, 2 – наклонная арматура, 3 – горизонтальная арматура, 4 – уголок-накладка, 5 – упор, 6 – уголок, 7 – стяжной болт, 8 – гайка Усиление конструкций при кручении производится увеличением их поперечного сечения путем устройства железобетонных обойм с дополнительной продольной и поперечной арматурой с обеспечением совместной работы с бетоном конструкций (рис. 11.7, а). Совместная работа бетона обойм с бетоном усиливаемой конструкции обеспечивается устройством шпонок и насечки, а также посредством поперечных связей в виде скоб, соединяющих дополнительную арматуру усиления с существующей арматурой усиливаемой конструкции.

Вязаные поперечные хомуты должны быть замкнутыми с надежной анкеровкой по концам. Сварные поперечные стержни должны быть приварены к угловым продольным стержням, образуя замкнутый контур. Класс бетона обойм принимается не ниже класса бетона усиливаемой конструкции.

Дополнительная поперечная арматура, установленная по периметру сечения и заанкеренная по концам с помощью уголков, может выполняться с предварительным напряжением путем взаимного стягивания стержней с помощью стяжных болтов. Величина предварительного напряжения дополнительной поперечной арматуры принимается равной 70...100 МПа.

После выполнения предварительного напряжения дополнительная поперечная арматура обетонируется (рис. 11.7, б).

Рис. 11.7. Усиление конструкций при кручении железобетонной обоймой:

а – с поперечной арматурой без предварительного напряжения; б – с предварительно напряженной поперечной арматурой: 1 – усиливаемая конструкция, 2 – бетон обоймы, 3 – замкнутая поперечная арматура, 4 – предварительно напряженная поперечная арматура, 5 – продольная арматура обоймы, 6 – уголок, 7 – стяжной болт, 8 – насечка Расчет прочности усиленных железобетонных конструкций на действие крутящих моментов производится с учетом совместной работы элементов усиления с усиливаемой конструкцией и применением коэффициентов условий работы бетона и арматуры: c, ad, s, ad, sw, ad.

Коэффициенты условий работы бетона обоймы и дополнительной продольной арматуры в зоне действия крутящих и изгибающих моментов принимаются равными:

при усилении под нагрузкой, не превышающей 65 % расчетной, при невозможности достижения требуемой степени разгружения Коэффициенты условий работы дополнительного бетона и поперечной арматуры в зоне действия крутящих моментов и поперечных сил принимаются равными:

при отсутствии перед усилением спиральных или наклонных трещин при наличии спиральных или наклонных трещин при усилении дополнительной поперечной арматурой без предварительного напряжения при наличии спиральных или наклонных трещин при усилении предварительно напряженной дополнительной поперечной арматурой Шаг дополнительных поперечных стержней у грани параллельной плоскости изгиба принимается равным:

при высоте сечения усиленного элемента не более 450 мм не более при высоте сечения усиленного элемента более 450 мм не более Шаг дополнительных поперечных стержней у грани перпендикулярной плоскости изгиба принимается равным не более (2b + bad ) и не более 600 мм.

11.5. Усиление при местном сжатии и продавливании Усиление конструкций при местном смятии и продавливании производится увеличением площади опирания вышерасположенных конструкций путем устройства железобетонных опорных обойм и пространственных стальных распорок.

При устройстве железобетонных опорных обойм (рис. 11.8) совместная работа с усиливаемой конструкцией обеспечивается устройством на контактирующей поверхности шпонок и насечки. Дополнительная поперечная арматура обойм в обоих направлениях соединяется сваркой с оголенной арматурой конструкции. Конструктивные требования при устройстве опорных обойм, аналогичны, как при усилении коротких консолей.

Рис. 11.8. Усиление при продавливании устройством опорной железобетонной обоймы:

1 – усиливаемая конструкция, 2 – бетон обоймы, 3 – колонна, 4 – арматура обоймы, 5 – окаймляющая арматура, 6 – коротыши, 7 – оголенная арматура колонны, 8 – насечка поверхности Пространственные стальные распорки состоят из нижней обвязки, установленной на цементно-песчаном растворе, верхней угловой обвязки, охватывающей по периметру опорную железобетонную обойму на колонне, и стальных подкосов, соединяющих обвязки между собой (рис. 11.9).

Рис. 11.9. Усиление при продавливании устройством пространственных распорок:

1 – усиливаемая конструкция, 2 – нижняя обвязка из уголков, 3 – верхняя обвязка из уголков, 4 – опорная железобетонная обойма, 5 – пространственные распорки из уголков Расчетные усилия в элементах пространственных стальных распорок определяются как в статически определимой пространственной ферме. Сечения стальных элементов определяются расчетом по [11].

1. Каким образом, в общем случае, производится усиление зоны среза эксплуатируемых железобетонных конструкций?

2. Как обеспечивается совместная работа дополнительных бетона и поперечной арматуры с усиливаемым в зоне среза железобетонным элементом?

3. Каким образом производится восстановление прочности железобетонных конструкций с наклонными трещинами в зоне среза?

4. Приведите примеры усиления зоны среза железобетонных конструкций устройством наращивания, железобетонной рубашки и обоймы.

5. С какой целью и как осуществляется предварительное напряжение дополнительной поперечной арматуры при усилении зоны среза?

6. Чему равны коэффициенты условий работы дополнительного бетона и поперечной арматуры при расчете прочности по наклонному сечению усиленных железобетонных элементов?

7. Приведите примеры и конструктивные требования при усилении зоны среза коротких железобетонных консолей.

8. Изложите алгоритм расчета прочности по наклонному сечению усиленных в зоне среза железобетонных элементов.

Усиление при кручении, местном сжатии и продавливании 9. Как, в общем случае, производится усиление эксплуатируемых железобетонных конструкций при кручении?

10. Как обеспечивается совместная работа дополнительного бетона и поперечной арматуры с усиливаемым при кручении железобетонным элементом?

11. Приведите примеры усиления железобетонных элементов при кручении.

12. Чему равны коэффициенты условий работы дополнительного бетона и арматуры при расчете прочности усиленных железобетонных элементов при кручении?

13. Приведите примеры усиления железобетонных элементов при местном сжатии и продавливании.

Тема 12. МЕТОДЫ УСИЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ

С ИЗМЕНЕНИЕМ ИХ РАСЧЕТНОЙ СХЕМЫ

Усиление конструкций с изменением расчетной схемы производится изменением места передачи нагрузок на конструкцию; повышением степени внешней статической неопределимости путем устройства дополнительных жестких и упругих опор, постановкой дополнительных связей при обеспечении неразрезности и пространственной работы конструкций; повышением степени внутренней статической неопределимости путем устройства затяжек, распорок, шпренгелей, шарнирно-стержневых цепей.

12.1. Изменение места передачи нагрузки Изменение места передачи нагрузки на конструкцию производят с помощью специальных распределительных устройств, позволяющих добиться перераспределения сосредоточенных нагрузок на существующие конструкции и уменьшения в них изгибающих моментов. Распределительные устройства могут быть железобетонными или металлическими и располагаться сверху или снизу конструкции. Характерной особенностью этого метода усиления является наличие зазора между усиливаемой конструкцией и распределительным устройством по длине между точками контакта. Зазор должен быть не меньше максимальной величины прогиба выше расположенного элемента (распределительного устройства или усиливаемой конструкции).

При установке распределительных устройств сверху усиливаемой конструкции (рис. 12.1, а) уменьшается трудоемкость производства работ по усилению, но создаются препятствия для передвижения людей и напольного транспорта, перепады отметок перекрытия. Нагрузка от распределительных устройств на существующую конструкцию передается через опорные подушки, представляющие собой стальные пластины, уложенные на цементно-песчаный раствор.

При невозможности создания перепадов высот на перекрытии распределительные устройства подвешиваются снизу усиливаемой конструкции (рис. 12.1, б). Нагрузка на распределительные устройства в этом случае передается с помощью стоек, пропущенных через отверстия в перекрытии. Нагрузка от распределительных устройств на существующую конструкцию передается через подвески, представляющие собой стальные тяжи, пропущенные в отверстия перекрытия и заанкеренные с помощью пластин на цементно-песчаном растворе.

В случае необходимости полной передачи дополнительной нагрузки с одной конструкции на другие опоры распределительных устройств размещают за пределами усиливаемой конструкции (рис. 12.2).

Рис. 12.1. Усиление конструкций изменением места передачи нагрузки:

а – при расположении распределительных устройств сверху конструкции; б – то же, снизу конструкции; 1 – усиливаемая конструкция, 2 – распределительная балка, 3 – опорная пластина, 4 – цементно-песчаный раствор, 5 – тяжи, 6 – стойка, 7 – отверстия в плите Рис. 12.2. Полная передача дополнительной нагрузки на другие конструкции:

а – посредством стоек на нижерасположенное перекрытие; б – посредством распределительной балки на ригели перекрытия; 1 – разгружаемая конструкция, 2 – конструкция, на которую передается дополнительная нагрузка, 3 – стойка, 4 – распределительная балка, 5 – отверстия в перекрытии Усиление конструкций подведением дополнительных жестких опор – эффективный метод усиления, позволяющий многократно увеличить нагрузку на конструкции. Метод применяется, когда существует возможность уменьшения габаритов помещения. К жестким относятся опоры, осадка которых соизмерима с осадкой существующих опор (не более 10 % от прогиба усиливаемой конструкции) и которой можно пренебречь при расчете.

Дополнительные жесткие опоры выполняют в виде одиночных стоек с самостоятельными фундаментами, подкосов и подвесок с опиранием на существующие конструкции. Дополнительные жесткие опоры изготавливают из железобетона или металла.

При устройстве дополнительных жестких опор с опиранием на самостоятельные фундаменты (рис. 12.3) следует учитывать, что основание под подошвой существующих фундаментов уплотнено в результате длительной загрузки, поэтому для уменьшения осадки фундамента дополнительной опоры грунт под ним предварительно обжимают или устраивают под ним развитую песчано-щебеночную подушку, распределяющую давление на основание.

Рис. 12.3. Усиление конструкции дополнительной жесткой опорой с самостоятельным фундаментом: 1 – усиливаемая конструкция; 2 – стойка дополнительной опоры;

3 – фундамент опоры; 4 – песчано-щебеночная подушка; 5 – надрез Дополнительные жесткие опоры в виде подкосов (рис. 12.4, а) и подвесок (рис. 12.4, б) передают нагрузку на существующие фундаменты, что позволяет избежать осадки, хотя в ряде случаев и требует их предварительного усиления. В случае передачи нагрузки от дополнительных подкосов на колонны для восприятия возникающего распора устраивают затяжки.

Рис. 12.4. Усиление дополнительными жесткими опорами в виде:

Для включения дополнительных жестких опор в совместную работу производится обязательное подклинивание конструкций с помощью домкратов и клиньев. При усилении конструкций дополнительными жесткими опорами следует стремиться к максимальной разгрузке усиливаемой конструкции на момент усиления, так как перераспределяться по новой схеме будет только нагрузка, приложенная к конструкции после подведения опоры.

При невозможности эффективного разгружения усиливаемой конструкции выполняется предварительный подъем усиливаемой конструкции в месте установки дополнительной опоры.

Подъем производится силой где Ru – реакция дополнительной опоры от полной нагрузки; Rad – реакция дополнительной опоры от нагрузки, приложенной к конструкции после усиления.

Усилие подъема конструкции R может также определяться исходя из величины прогиба усиливаемой конструкции.

При отсутствии верхней арматуры или малой площади ее сечения над дополнительной опорой, конструкция после образования трещин рассматривается как разрезная. В этом случае устраивается уширение опоры для усиливаемой конструкции на дополнительную опору, учитывающее возможное отклонение в развитии трещин, или формируется магистральное направление трещины путем надреза конструкции сверху по оси дополнительной опоры глубиной не менее 50 мм (см. рис. 12.3, поз. 5).

Дополнительные упругие опоры менее эффективны, однако позволяют в меньшей степени стеснить свободное пространство помещений. К упругим опорам относятся дополнительные опоры, осадка которых соизмерима с прогибом усиливаемой конструкции (более 10 % от прогиба).

Дополнительные упругие опоры создают с помощью балок (железобетонных или металлических) (рис. 12.5, а, б), металлических ферм (рис. 12.5, в) или подвесок, расположенных со стороны верхней, нижней или боковых граней усиливаемой конструкции и опираемых на опорные части конструкции или самостоятельные опоры. Нагрузка от усиливаемой конструкции передается через расклинивающие прокладки, позволяющие включить дополнительные упругие опоры в совместную работу.

При устройстве дополнительных упругих опор также следует стремиться к максимальной разгрузке усиливаемой конструкции, так как по новой схеме будет перераспределяться только нагрузка, приложенная после усиления.

Для усиления изгибаемых большепролетных конструкций многопролетных зданий эффективно выполнять дополнительные упругие опоры в виде двухконсольных кронштейнов. Кронштейны выполняются с помощью прокатных профилей, опирающихся на оголовок колонн (рис. 12.6, а), или с помощью треугольных ферм (рис. 12.6, б). Кронштейны устанавливают попарно со стороны боковых граней усиливаемой конструкции, соединяют между собой опорными элементами и соединительными планками. Высоту опорной части кронштейнов принимают равной высоте опорных частей усиливаемых балок. Длина вылета консолей не превышает 1/4...1/6 пролета усиливаемой конструкции.

Рис. 12.5. Усиление конструкций дополнительными упругими опорами в виде:

Рис. 12.6. Усиление конструкций дополнительными упругими опорами в виде двухконсольных кронштейнов: а – из прокатных профилей; б, в – из треугольных ферм:

1 – усиливаемая конструкция, 2 – стальная балка, 3 – ребра жесткости, 4 – соединительный стержень или пластина, 5 – опорный столик, 6 – соединительная накладка, 7 – уголок, Опорные элементы кронштейнов выполняют в виде седлообразных накладок, устанавливаемых сверху смежных усиливаемых балок (рис. 12.6, б) или в виде опорного листа толщиной 20...30 мм, вставляемого в зазор между сборными балками, и передающего нагрузку через распределительную накладку на оголовок колонны (рис. 12.6, в). При этом опорные элементы не должны быть жестко закреплены, а иметь возможность сдвига на уровне грани в обе стороны на 5...10 мм.

Включение кронштейнов в совместную работу производят расклиниванием с контролем прогиба или подвеской тарированного груза весом, равным величине опорной реакции (12.1), и укладкой в образовавшийся зазор фиксирующих прокладок.

Для опирания элементов дополнительных опор на существующие колонны на последних устраивают специальные опорные хомуты. Опорные хомуты могут быть как железобетонными, так и металлическими с последующим обетонированием или без него.

Железобетонные опорные хомуты (рис. 12.7, а) армируют, аналогично коротким консолям, наклонной или замкнутой горизонтальной арматурой. Перед устройством опорных хомутов бетонная поверхность колонны скалывается на толщину защитного слоя бетона. Поперечную арматуру приваривают к оголенной арматуре колонн.

Металлические опорные хомуты (рис. 12.7, б) выполняют из швеллеров, которые приваривают к оголенной арматуре колонн. Перед приваркой отрезки швеллеров устанавливают в проектное положение и соединяют между собой стяжными болтами. При наличии зазоров между швеллерами и оголенной арматурой устанавливают металлические прокладки.

Металлические опорные хомуты (рис. 12.7, в), состоящие из верхней опоры, привариваемой к оголенной арматуре колонны, тяжей и опорного столика, позволяют создавать предварительное напряжение дополнительных опор.

Усиление многопролетных шарнирно опертых конструкций может производиться установкой дополнительных связей над опорами в виде надопорной арматуры с целью обеспечения неразрезности усиливаемой конструкции. Дополнительная надопорная арматура может устанавливаться при наращивании в верхней зоне конструкций при бетонировании расширенных швов между плитами перекрытия или вскрытых пустот смежных многопустотных панелей (рис. 12.8).

Рис. 12.7. Опорные хомуты: а – железобетонный; б – стальной с обетонированием;

в – стальной, 1 – колонна, 2 – ригель, 3 – бетон хомута, 4 – коническая шайба, 5 – поперечная арматура хомута, 6 – швеллер, 7 – оголенная арматура колонны, 8 – стяжной болт, 9 – сварной шов, 10 – тяж, 11 – опорный уголок, 12 – ребра жесткости, 13 – пластина, 14 – пластина с рифленой поверхностью При проектировании усиления конструкций обеспечением их неразрезности дополнительная арматура должна заводиться за точку нулевых моментов объемлющей эпюры на длину не менее 15, где – диаметр дополнительной надопорной арматуры.

Для уменьшения изгибающих моментов в колоннах многоэтажных многопролетных зданий от воздействия ветровой нагрузки устраивают дополнительные крестовые или портальные связи из прокатных профилей, которые закрепляют на колоннах с помощью окаймляющих стальных уголков.

Рис. 12.8. Усиление конструкций путем обеспечения их неразрезности:

а – при бетонировании пустот многопустотных плит; б – при бетонировании расширенных швов между плитами; 1 – усиливаемые плиты, 2 – ригель, 3 – арматурный каркас, 4 – отверстия в плитах, 5 – бетон 12.3. Повышение степени внутренней статической неопределимости В общем случае усиление конструкций повышением степени внутренней статической неопределимости производится включением в совместную работу с усиливаемой конструкцией других конструкций, устройством предварительно напряженных затяжек, шпренгелей, шарнирно-стержневых цепей, распорок с передачей дополнительных усилий на конструкцию.

Усиление балок путем включения их в совместную работу с железобетонными плитами настила производят установкой дополнительных упоров, препятствующих сдвигу настила относительно балок. При усилении без предварительной разгрузки комбинированная конструкция включается только на ту часть нагрузки, которая приложена после усиления.

12.3.1. Устройство предварительно напряженных затяжек При обеспечении совместной работы дополнительной арматуры с усиливаемой конструкцией только закреплением по концам с помощью анкерных устройств, без сцепления ее в пролете с бетоном конструкции, дополнительная арматура выполняет функцию затяжки.

В зависимости от места закрепления концов дополнительной арматуры могут быть горизонтальная (рис. 12.9, а) и шпренгельная (рис. 12.9, б) затяжки, а также их сочетание (рис. 12.9, в).

Рис. 12.9. Усиление изгибаемых конструкций затяжками: а – горизонтальная затяжка;

б – шпренгельная затяжка; в – сочетание горизонтальной и шпренгельной затяжек, 1 – усиливаемая конструкция, 2 – горизонтальная затяжка, 3 – шпренгельная затяжка, 4 – стяжной болт, 5 – анкерное устройство, 6 – прокладка, 7 – ограничитель Для включения дополнительной арматуры в виде затяжек в работу, предусматривается ее предварительное напряжение с обязательным контролем величины натяжения.

Затяжки выполняют, в основном, из арматурных стержней диаметром 12...40 мм, реже – из прокатных профилей. На концах затяжки, как правило, имеют резьбу с гайками для ликвидации начальных погибов стержней и обжатия анкеров в узлах сопряжения с конструкцией. После корректировки длины затяжек гайки на их концах сваривают с болтом.

Конструкция анкерных устройств зависит от места их закрепления на усиливаемой конструкции. Для балочных конструкций со свободными торцами анкерные устройства принимают седлообразной формы из швеллеров или листовой стали, охватывающими надопорную часть конструкции (рис. 12.10, а, б). Анкерные устройства устанавливают на цементнопесчаном растворе. Для неразрезных опор анкеры принимают в виде отрезков швеллеров, привариваемых со стороны боковых граней к оголенной арматуре усиливаемой конструкции через прокладки и соединенных между собой соединительными стержнями (рис. 12.10, в).

Рис. 12.10. Конструкция анкерных устройств: 1 – усиливаемая конструкция, 2 – затяжка, 3 – швеллер, 4 – лист, 5 – оголенная арматура конструкции, 6 – соединительный стержень, 7 – уголок, 8 – лист, 9 – колонна, 10 – держатель анкера Если опорами усиливаемой конструкции являются колонны, то анкерные устройства выполняются в виде обойм, охватывающих колонны (рис. 12.10, г). При опирании конструкций на промежуточные опоры, которыми служат главные балки и ригели, анкеры принимаются в виде упорного уголка с вертикальным держателем (рис. 12.10, д). Для обеспечения надежной совместной работы дополнительной арматуры с усиливаемой конструкцией анкерные устройства должны быть максимально жесткими.

Предварительное напряжение затяжек осуществляют созданием уклона ветвей затяжек в горизонтальной или вертикальной плоскости.

Уклон ветвей затяжек в вертикальной плоскости создается отклонением ветвей затяжки от усиливаемой конструкции или подтягиванием к ней.

В случае малой ширины поперечного сечения или большой длины усиливаемой конструкции, когда расстояния между ветвями затяжки недостаточно для придания им требуемого уклона в горизонтальной плоскости, применяется их взаимное стягивание несколькими стяжными болтами с установкой между ними дополнительных распорок.

При натяжении затяжек путем создания уклона их ветвей величина отклонения от первоначального положения каждой ветви определяется в зависимости от величины предварительного напряжения и отношения длины отклоняемого участка между крайними упорами к полной длине ветви (рис. 12.11) где l – полная длина ветви затяжки; l1 – длина отклоняемого участка ветви затяжки между крайними упорами, p, Es – предварительное напряжение и модуль упругости затяжки; n – количество стяжных болтов на отклоняемом участке; m – количество отклоняемых участков, разделенных горизонтальными участками.

В местах перегиба между шпренгельной затяжкой и усиливаемой конструкцией устанавливают прокладки из пластины и круглого коротыша с ограничителями, предотвращающими взаимное сближение ветвей затяжки при их предварительном напряжении взаимным стягиванием.

На горизонтальных затяжках и горизонтальных участках шпренгельных затяжек с параллельными ветвями без стяжных болтов устанавливают соединительные прокладки, предотвращающие смещение ветвей затяжки от проектного положения в процессе предварительного напряжения и эксплуатации (рис. 12.12).

Рис. 12.11. Расчетные схемы отклонения ветви затяжки для предварительного напряжения: а – один стяжной болт при двух распорках; б – два стяжных болта при трех распорках; в – два стяжных болта; г – один стяжной болт Рис. 12.12. Расположение соединительных прокладок на затяжках:

а – на боковых гранях; б – на нижней грани, 1 – усиливаемая конструкция, Для усиления растянутой зоны большепролетных конструкций затяжки могут состоять из отдельных стержней, поперечные сечения которых уменьшаются от середины пролета к опорам в соответствии с эпюрой моментов. Концы затяжек закрепляют на анкерных устройствах в виде корытообразных элементов, приклеенных к конструкции. С помощью стяжных болтов стержни затяжек напрягают (рис. 12.13). Анкерные устройства рассчитывают на восприятие разности усилий в смежных стержнях затяжки.

Рис. 12.13. Усиление большепролетной конструкции затяжкой: 1 – усиливаемая конструкция, 2, 3, 4 – стержни затяжки, 5 – стяжной болт, 6 – анкерное устройство Для усиления конструкций в виде длинных консолей, работающих, главным образом, на изгиб, применяются горизонтальные и диагональные предварительно напряженные затяжки, которые закрепляются одним концом в верхнем узле за опорой, а другим – на свободном конце в верхнем узле для горизонтальных или в нижнем – для диагональных затяжек (рис. 12.14). Для предотвращения смятия бетона диагональной затяжкой в месте перегиба устанавливают уголки-подкладки. Предварительное напряжение создают: для горизонтальной затяжки – взаимным стягиванием ветвей с помощью стяжных болтов; для диагональной – путем оттягивания ее ветвей к низу конструкции с помощью болтов с захватами. С целью исключения проскальзывания болтов по диагональной затяжке на ее ветвях приваривают упоры.

Дополнительная арматура в виде шпренгельной затяжки при усилении сборных плит может устанавливаться в пустоты или расширенный шов между плитами с последующим обетонированием или без него. Концы затяжки при предварительном напряжении заанкеривают с помощью концевых анкеров в виде уголков, опираемых на торцы плит. Предварительное напряжение осуществляют завинчиванием гаек по концам затяжки или отклонением затяжки в пролете с помощью натяжных болтов с упором на смежные плиты (рис. 12.15).

Рис. 12.14. Усиление длинных консолей затяжками: а – горизонтальной;

б – диагональной, 1 – усиливаемая конструкция, 2 – затяжка, 3 – пластина, 4 – уголок, 5 – сварной шов, 6 – стяжной болт, 7 – натяжной болт, 8 – упор Рис. 12.15. Усиление сборных плит шпренгельной затяжкой в швах между плитами:

1 – усиливаемая конструкция, 2 – затяжка, 3 – уголок, 4 – подкладка-упор, 5 – гайка Величина предварительного напряжения затяжек определяется из рассмотрения деформированной системы при условии, что в предельном состоянии сумма предварительного напряжения и приращения напряжения от нагрузки, приложенной после усиления, достигнет расчетного сопротивления арматуры затяжки.

Потери предварительного напряжения определяются в соответствии с [8] как для конструкций с натяжением арматуры на бетон с учетом податливости концевых анкеров и прокладок в местах сопряжения с усиливаемой конструкцией: металлический упор на бетон с раствором – 3...4 мм/узел; то же без раствора – 4...5 мм/узел; сопряжение металла с металлом с помощью болтов – 1 мм/узел.

Требуемое предварительное напряжение приближенно можно определять линейной интерполяцией в зависимости от отношения нагрузки на усиливаемую конструкцию в момент устройства затяжки к расчетной нагрузке в интервале [0, fyk,ad], но не менее p,min = 0,4 f yk, ad и не более p,max = 0,8 f 0.2 k,ad (для высокопрочной проволоки – p,max = 0,7 f 0.2 k, ad ).

12.3.2. Устройство шпренгелей и шарнирно-стержневых цепей Для усиления изгибаемых конструкций применяются шпренгели (рис. 12.16, а) и шарнирно-стержневые цепи (при количестве опор больше двух) (рис. 12.16, б), которые создают противоположную по знаку нагрузку в виде ряда сосредоточенных сил. При этом усиливаемая конструкция работает в условиях сжатия с изгибом.

Шпренгели и шарнирно-стержневые цепи состоят из ветвей, устанавливаемых со стороны боковых или нижней грани усиливаемой конструкции; анкерных устройств, аналогичных применяемым при устройстве затяжек; подвесок или стоек в местах перегиба ветвей. Подвески, имеющие на свободном конце винтовую нарезку, крепят к ветвям цепи шарнирно, пропуская через соединительные планки. Ветви шпренгелей и шарнирностержневых цепей изготавливают из арматуры или прокатных профилей.

Количество промежуточных опор шарнирно-стержневой цепи, как правило, принимается равным 3, 5, 7 и т.д.

Шарнирно-стержневые цепи монтируют следующим образом. На усиливаемой конструкции закрепляют анкерные устройства. Затем подвешивают ветви цепи с прикрепленными подвесками, оставляя свободное место для центральной подвески. Закручивая гайки, обжимают анкерные устройства и промежуточные узлы. Затем натяжение ослабляют и подвески устанавливают в проектное положение. После этого производят натяжение ветвей цепи в месте расположения центральной подвески. Натяжение цепи производят при действии нагрузки, составляющей не менее 70...80 % от полной.

Рис. 12.16. Усиление конструкций: а – шпренгелем; б – шарнирно-стержневой цепью; 1 – усиливаемая конструкция, 2 – ветви шпренгеля или цепи, Величины сосредоточенных сил, передаваемые подвесками на усиливаемую конструкцию, определяются очертанием ветвей цепи. Очертание цепи рекомендуется принимать таким, чтобы тангенсы углов наклона к продольной оси усиливаемой конструкции отдельных звеньев, начиная от середины, относились между собой как 1:3:5:7 и т.д. В этом случае реакции усилий в подвесках будут примерно одинаковыми, а натяжение ветвей и его контроль можно производить центральной подвеской.

12.3.3. Устройство предварительно напряженных распорок При обеспечении совместной работы дополнительных сжатых элементов закреплением их по концам усиливаемой конструкции они выполняют функцию распорок. В качестве дополнительных элементов применяются жесткие прокатные профили в виде уголков и швеллеров из сталей:

С38/23, С44/29, С46/33. Для включения распорок в работу предусматривают их предварительное напряжение.

Устойчивость сжатых прокатных профилей обеспечивают их раскреплением по длине поперечными стержнями или планками.

Распорки (рис. 12.17, а) состоят из стоек уголкового профиля, устанавливаемых по углам колонн, соединительных стержней или планок и опорных прокладок из уголков или листового металла. Полки уголков должны плотно примыкать к граням усиливаемой колонны, для чего в месте примыкания стоек выравнивают поверхность и в зазоры зачеканивают цементный раствор. Нагрузка на стойки распорки передается через подкладки по концам стоек, установленные на растворе. Стойки распорки могут располагаться с одной стороны усиливаемой конструкции (для изгибаемых балочных конструкций и крайних колонн) или с двух сторон (для средних колонн).

Для усиления поврежденного участка устраивается местная стальная распорка (рис. 12.17, б). Стойки местной распорки по концам приваривают через прокладки или коротыши к оголенной арматуре усиливаемой конструкции или приклеивают к бетону сжатой зоны.

При усилении сжатых элементов ферм покрытий распорками из профильного металла упоры для распорок устраивают в соответствии с конфигурацией узлов в месте их установки.

Рис. 12.17. Усиление сжатых конструкций: а – стальной распоркой; б – местной стальной распоркой; 1 – усиливаемая колонна, 2 – уголок, 3 – соединительные планки, 4 – опорный уголок, 5 – коротыши, 6 – оголенная арматура, 7 – поврежденный участок Предварительное напряжение стоек выполняют их продольным сжатием с помощью домкратов (рис. 12.18, а) или с перегибом в середине их длины (рис. 12.18, б).

Домкраты устанавливают на опорные столики, приваренные к распорке, и упирают в вышерасположенные конструкции перекрытия. После достижения необходимой степени предварительного напряжения между стойками и прокладками приваривают упорные элементы, фиксирующие стойки в сжатом состоянии.

Для осуществления перегиба в боковых полках уголков предусматриваются надрезы, по концам каждой стойки и в середине закрепляют монтажные хомуты со стяжными болтами. После натяжения болтов и выпрямления стоек их закрепляют приваркой соединительных планок или стержней, в местах надреза стоек приваривают дополнительные накладки, восстанавливающие их поперечное сечение. Требуемая величина отклонения стоек определяется в зависимости от предварительного напряжения по формуле (12.2).

Рис. 12.18. Методы предварительного напряжения распорок: а – с помощью домкратов;

б – с помощью перегибов в середине длины, 1 – усиливаемая колонна, 2 – стойки, 3 – швеллер, 4 – уголок, 5 – опорный столик, 6 – домкрат, 7 – стяжной болт, Величина предварительного напряжения распорок приближенно может определяться линейной интерполяцией в зависимости от отношения нагрузки на усиливаемую конструкцию в момент усиления к расчетной нагрузке в интервале [0, Ryn,ad], но не менее p,min = 0,4 R yn, ad и не более p,max = 0,8 R yn, ad.

Потери предварительного напряжения определяют с учетом податливости в местах сопряжения с усиливаемой конструкцией.

12.4. Увеличение длины опирания конструкций При недостаточной длине опирания сборных многопустотных панелей на промежуточных опорах в пустоты смежных плит через пробитые отверстия заводят общие арматурные каркасы с последующим бетонированием, аналогично усилению путем создания неразрезности.

В случае недостаточного опирания сборных многопустотных панелей на крайних опорах в пустоты через пробитые отверстия устанавливают арматурные каркасы таким образом, чтобы они выступали за торцы панелей. Затем параллельно торцам панелей устанавливают дополнительные каркасы, после чего выполняют бетонирование пустот на длине установленных каркасов и дополнительной торцевой балки (рис. 12.19, а).

Рис. 12.19. Усиление сборных панелей при недостаточном опирании: а – многопустотных на крайней опоре, б – ребристых на промежуточной опоре; в – ребристых на крайней опоре: 1 – усиливаемая панель, 2 – опора, 3 – дополнительные каркасы, 4 – швеллер, При недостаточном опирании ребристых панелей на промежуточных опорах устраивают опорные столики из швеллеров и соединительных уголков (рис. 12.19, б).

В случае недостаточного опирания ребристых панелей на крайних опорах опорные элементы из швеллеров выступают за торец панелей и притягивают к панелям болтами (рис. 12.19, в).

1. Как, в общем случае, производится усиление эксплуатируемых конструкций изменением их расчетной схемы?

2. Каким образом производится усиление эксплуатируемых конструкций изменением места приложения нагрузки?

3. В чем заключается особенность усиления конструкций изменением места передачи нагрузки с помощью распределительных устройств?

4. Приведите примеры усиления конструкций изменением места передачи нагрузки при расположении распределительных устройств сверху (снизу) усиливаемых конструкций.

5. Какими методами производится усиление эксплуатируемых конструкций повышением степени их внешней статической неопределимости?

6. Какие мероприятия необходимо предусматривать при устройстве дополнительных жестких опор с опиранием на самостоятельные фундаменты?

7. Как обеспечивается включение дополнительных жестких опор в совместную работу с усиливаемой конструкцией?

8. Какие конструктивные мероприятия предусматриваются при отсутствии верхней арматуры над дополнительной опорой в случае усиления изгибаемой конструкции?

9. Приведите примеры усиления конструкций дополнительными упругими опорами.

10. В каких случаях для усиления конструкций применяются двухконсольные кронштейны?

11. Для чего предназначены и как устраиваются опорные хомуты (железобетонные, стальные)?

12. Как производится усиление многопролетных шарнирно опертых конструкций обеспечением их неразрезности (на примере железобетонных многопустотных панелей перекрытия)?

13. Какими методами производится усиление эксплуатируемых конструкций повышением степени их внутренней статической неопределимости?

14. Изложите принцип работы и устройства предварительно напряженных затяжек.

15. Как производится предварительное напряжение затяжек при усилении эксплуатируемых конструкций?

16. Как производится усиление длинных консолей предварительно напряженными затяжками?

17. Как определяется величина предварительного напряжения затяжек при усилении эксплуатируемых конструкций под нагрузкой?

18. В чем заключается принцип усиления конструкций шпренгелями и шарнирно-стержневыми цепями?

19. Изложите принцип работы и устройства предварительно напряженных распорок.

20. Как производится предварительное напряжение распорок при усилении эксплуатируемых конструкций?

21. Каким образом производится увеличение длины площадки опирания на крайней и промежуточной опорах железобетонных многопустотных панелей перекрытия?

22. Каким образом производится увеличение длины площадки опирания на крайней и промежуточной опорах железобетонных ребристых панелей перекрытия?

ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ,

УСИЛЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЕМ ИХ РАСЧЕТНОЙ СХЕМЫ

путем изменения места передачи нагрузки Расчет усиления путем изменения места передачи нагрузки заключается в выборе расстояния между опорами распределительных устройств, расположения их по длине усиливаемой конструкции и схемы передачи нагрузок на существующие конструкции (рис. 13.1). Проектирование распределительных устройств производится на проектную нагрузку по действующим нормам: железобетонных – в соответствии с [8]; стальных – в соответствии с [11].

Рис. 13.1. Принципиальные схемы распределительных устройств при усилении:

а – однопролетной балки; б – неразрезной балки; в – сборных плит перекрытия увеличением их степени внешней статической неопределимости 13.2.1. Расчет усиления железобетонных конструкций дополнительными жесткими опорами При расчете конструкций, усиливаемых дополнительными жесткими опорами, изгибающие моменты в сечениях конструкции суммируются от нагрузки, действующей до усиления при первоначальной расчетной схеме, и от нагрузки, приложенной к конструкции после усиления при измененной расчетной схеме. Суммарная эпюра изгибающих моментов не должна выходить за пределы эпюры материалов, характеризующей фактическую прочность конструкции.

В случае превышения допустимого значения отрицательного момента над дополнительной опорой производится перераспределение моментов в пределах 30 % от полученных по упругому расчету (или более 30 % с проверкой трещиностойкости опорного сечения).

При проектировании усиления конструкций дополнительными жесткими опорами производится проверка прочности усиливаемой конструкции на действие поперечных сил в местах установки дополнительных опор.

13.2.2. Расчет усиления железобетонных конструкций дополнительными упругими опорами Расчет конструкций, усиленных дополнительными упругими опорами, основывается на равенстве прогибов усиливаемой конструкции и упругой опоры в месте их контакта. Как и в случае усиления дополнительными жесткими опорами, при усилении упругими опорами изгибающие моменты в сечениях конструкции суммируются от нагрузки, действующей до усиления при первоначальной расчетной схеме и от нагрузки, приложенной к конструкции после усиления при измененной расчетной схеме.

При проектировании усиления конструкций дополнительными упругими опорами первоначально по превышению усилий от внешней нагрузки над усилиями, соответствующими прочности усиливаемой конструкции, намечают размещение упругих опор и вычисляют их реакции из условия создания требуемого разгружения. Затем приравнивают выражения прогибов усиливаемой конструкции от действия внешней нагрузки, прикладываемой после усиления, и реакции опоры и прогибов упругой опоры от действия реакции опоры. Из полученного уравнения определяют требуемую жесткость дополнительной упругой опоры и размеры ее поперечного сечения.

Жесткость усиливаемой железобетонной конструкции в предельном состоянии необходимую для расчета допускается определять по формуле cm – средние относительные деформации крайнего сжатого волокна бетона, cm = c c,3, c,3 – предельные относительные деформации крайнего сжатого волокна бетона в сечении с трещиной, соответствующие расчетному сопротивлению бетона;

sm,0 – средние деформации крайнего растянутого стержня продольной арматуры sm,0 = s sy, sy – относительные деформации крайнего растянутого стержня арматуры в сечении с трещиной, соответствующие расчетному сопротивлению арматуры sy = f yd / Es ;

c, s – коэффициенты неравномерности деформаций соответственно бетона и арматуры: c = 0,9 и s = 0,9 ;

d – расстояние между крайним сжатым волокном бетона и крайним растянутым стержнем арматуры.

При проектировании усиления конструкций при полном ее загружении достаточно определить необходимую разгружающую реакцию упругой опоры, по которой в результате статического расчета вычисляют усилия и подбирают сечение элементов упругой опоры. Предварительное напряжение упругой опоры должно осуществляться силой, равной разгружающей реакции.

Если конструкция упругой опоры не подвешивается у опор к усиливаемой конструкции, выполняют проверку на отрыв усиливаемой конструкции от опор при снятии временной нагрузки. При появлении в месте установки дополнительной упругой опоры отрицательных моментов следует производить проверку сечений на его воздействие.

Если между усиливаемой конструкцией и упругой опорой контакт в поперечном направлении предусматривается по всей длине (в отличие от наращивания касательные напряжения по контакту не учитываются), расчет производится исходя из равенства значений кривизны изогнутых осей контактирующих балочных конструкций.

Изгибающий момент M = M1 + M 2 от нагрузки, приложенной после усиления, распределяется пропорционально их жесткостям.

13.2.3. Расчет усиления железобетонных конструкций устройством их неразрезности При устройстве усиления конструкций с обеспечением их неразрезности следует также как и при усилении дополнительными опорами стремиться к максимальной разгрузке усиливаемых конструкций. Усилия в конструкциях определяются отдельно от нагрузок, действующих до замыкания шарниров, и от нагрузок, которые прикладываются после замыкания шарниров.

В первом случае принимается первоначальная расчетная схема, а во втором случае – измененная с учетом неразрезности. Расчетные усилия в сечениях конструкций определяются как сумма усилий, полученных по первой и второй схемам. Увеличением жесткости отдельных пролетов или опорных зон можно регулировать перераспределение моментов и поперечных сил.

13.3. Расчет усиления конструкций увеличением их степени внутренней статической неопределимости 13.3.1. Расчет прочности железобетонных конструкций, усиленных предварительно напряженными затяжками Устройство затяжек превращает усиленную конструкцию в статически неопределимую комбинированную систему, состоящую из железобетонного элемента и затяжки.

Поскольку реакция от затяжки передается на опорное сечение усиливаемой изгибаемой, внецентренно сжатой (растянутой) конструкции, то появляется дополнительная сжимающая сила. Кроме того, в зависимости от места закрепления затяжки, возникают концевые разгружающие или догружающие моменты. При усилении шпренгельными затяжками на усиливаемую конструкцию действуют разгружающие силы в местах перегиба затяжки.

Расчет прочности железобетонных элементов, усиленных затяжками производят в предположении, что предельное состояние усиленных конструкций наступает одновременно с достижением существующей арматурой и затяжкой расчетного сопротивления.

Первоначально ориентировочно определяют площадь поперечного сечения затяжки с учетом коэффициента условий ее работы:

для горизонтальной – p, ad = 0,8 ;

для шпренгельной и диагональной – p, ad = 0, и вычисляют усилие в затяжке в предельном состоянии. Затем выполняют проверку прочности усиленной конструкции с учетом реактивной сжимающей силы затяжки.

Расчетные схемы конструкций, усиленных предварительно напряженными затяжками приведены на рис. 13.2 и 13.3.

Рис. 13.2. Расчетные схемы конструкций, усиленных горизонтальными затяжками:

а – изгибаемой; б – внецентренно сжатой; в – внецентренно растянутой Рис. 13.3. Расчетная схема изгибаемой конструкции, Расчетные схемы консольных конструкций, усиленных горизонтальной и диагональной затяжками, приведены на рис. 13.4 и 13.5.

После определения сечения затяжки производят проверку прочности усиленной конструкции. Дополнительная сжимающая сила опорной реакции затяжки равна:

для горизонтальной затяжки для шпренгельной и диагональной затяжек где – угол, который составляет наклонный участок затяжки с продольной осью усиленной конструкции.

Дополнительный концевой момент равен где ead – расстояние между местом закрепления затяжки и осью, проходящей через центр тяжести сечения конструкции.

Разгружающая сила в местах перегиба шпренгельной затяжки и закрепления диагональной затяжки на консоли равна При усилении конструкций затяжками могут возникнуть отрицательные изгибающие моменты от предварительного напряжения в затяжке. В этом случае необходимо выполнить проверку прочности конструкции на действие усилия предварительного напряжения в затяжке при нагрузке на конструкцию на стадии усиления. При этом усилие в затяжке принимается равным p – коэффициент точности натяжения, p = 1 ± p (учитывается где неблагоприятное влияние предварительного напряжения), p = 0, 2.

Рис. 13.4. Расчетная схема консольной конструкции, усиленной горизонтальной затяжкой Рис. 13.5. Расчетная схема консольной конструкции, 13.3.2. Расчет прочности железобетонных конструкций, усиленных шпренгелями и шарнирно-стержневыми цепями Расчет конструкций, усиленных шпренгелями и шарнирностержневыми цепями, производят в следующей последовательности. Определяют необходимую степень разгрузки усиливаемой конструкции из условия прочности, как разность между внутренними усилиями в расчетных сечениях от полной нагрузки и усилиями, соответствующими фактической прочности конструкции. Затем проектируют очертание шпренгеля или шарнирно-стержневой цепи. Стрелу подъема рекомендуется принимать максимальной с учетом допускаемых габаритов. При проектировании шпренгелей или шарнирно-стержневых цепей рекомендуется распор от ветвей передавать на усиливаемую конструкцию ниже центра тяжести ее сечения.

Реакции в подвесках (стойках) определяют из условия создания требуемой разгрузки усиливаемой конструкции по изгибающему моменту или поперечной силе. По найденным реакциям в подвесках и геометрическим размерам цепи определяют усилия в отдельных ветвях и площадь поперечного сечения. Распор в цепи, передаваемый на усиливаемую конструкцию определяется из условия равновесия сил. Производят проверку прочности усиливаемой конструкции с учетом внецентренно приложенной реакции распора.

При проектировании усиления шпренгелями и шарнирностержневыми цепями стропильных ферм следует учитывать, что дополнительные сосредоточенные силы, прикладываемые к узлам ферм, могут увеличивать усилия в ее отдельных элементах, поэтому требуется проверка прочности элементов фермы.