«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 ...»

13.3.3. Расчет прочности железобетонных конструкций, усиленных предварительно напряженными распорками Устройство предварительно напряженных распорок превращает усиленную конструкцию в статически неопределимую комбинированную систему, состоящую из железобетонного элемента и распорок. При передаче реакции от распорки на опорное сечение изгибаемой, центрально (внецентренно) сжатой (растянутой) конструкции появляется дополнительная растягивающая сила. Кроме того, при односторонних распорках или при разных усилиях в ветвях двухсторонних распорок возникают концевые разгружающие моменты.

Расчет конструкций, усиленных распорками, производится в предположении, что в предельном состоянии напряжения в распорке достигают расчетных сопротивлений.

Расчет прочности железобетонных конструкций, усиленных распорками, может производиться по общему случаю расчета с учетом коэффициентов условий работы:

для распорок с предварительным напряжением без надреза полок стоек p, ad = 0,8 ;

для распорок с предварительным напряжением путем создания уклона стоек с надрезом их полок в местах перегиба p, ad = 0,75.

Ветви распорки, установленные в растянутой зоне усиливаемых конструкций, в расчете не учитываются.

Проверка прочности усиленной конструкции производится с учетом влияния опорной реакции распорки (рис. 13.6).

Рис. 13.6. Расчетная схема сжатого элемента, Дополнительная растягивающая сила опорной реакции распорки Дополнительный концевой момент для односторонней распорки где ead – расстояние между местом закрепления распорки на конструкции и осью, проходящей через центр тяжести ее сечения.

При устройстве распорки в усиливаемых конструкциях могут возникнуть отрицательные изгибающие моменты и растягивающие усилия от предварительного напряжения в распорке. Необходимо выполнять проверку прочности на стадии усиления на действие усилия предварительного напряжения в распорке при нагрузке на конструкцию в момент устройства распорки. При этом усилие в распорке принимается равным Расчет предварительно напряженных распорок в момент усиления производится как для стальных конструкций по [11]. Расчетная длина ветви принимается равной полной длине распорки или расстоянию от места перегиба до упора в конструкцию в зависимости от метода создания предварительного напряжения.

1. Как выполняется расчет усиления эксплуатируемых конструкций путем изменения места передачи нагрузки?

2. Изложите алгоритм расчета изгибаемых конструкций, усиленных дополнительными жесткими опорами.

3. Изложите алгоритм расчета изгибаемых конструкций, усиленных дополнительными упругими опорами.

4. Изложите алгоритм расчета прочности изгибаемых железобетонных конструкций, усиленных предварительно напряженными затяжками.

5. В какой последовательности выполняется расчет усиления конструкций шарнирно-стержневыми цепями?

6. Изложите алгоритм расчета прочности центрально и внецентренно сжатых железобетонных конструкций, усиленных предварительно напряженными распорками.

Тема 14. УСИЛЕНИЕ КАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ При реконструкции зданий и сооружений с каменными конструкциями возникает необходимость восстановления или усиления: отдельных элементов, их сопряжений, здания в целом.

Необходимость восстановления (усиления) каменных конструкций вызывается снижением прочностных, ограждающих и эстетических свойств при эксплуатации и устанавливается в результате их обследования и поверочных расчетов.

14.1. Методы восстановления каменных конструкций Наиболее распространенными методами восстановления каменных конструкций являются: оштукатуривание, инъецирование имеющихся трещин, частичная или полная перекладка элементов.

Восстановление элементов оштукатуриванием применяется при поверхностных повреждениях кладки в виде выветривания раствора, размораживания, расслоения на глубину до 150 мм, а также при наличии стабилизированных осадочных трещин. Оштукатуривание осуществляется вручную (при глубине повреждения до 40 мм) или торкретированием раствором марки М75 и выше на основе цемента.

Для обеспечения надежного сцепления штукатурного слоя с кирпичной кладкой производят подготовку оштукатуриваемой поверхности:

кладку очищают от поврежденного кирпича и раствора, промывают и высушивают. При большой площади и толщине штукатурного слоя дополнительно расчищают горизонтальные швы на глубину 10…15 мм, на кладке выполняют насечку поверхности, устанавливают металлические сетки из проволоки диаметром 2…6 мм или стеклосетки. Металлические сетки могут выполняться на месте путем обвязки проволокой диаметром 2…3 мм вокруг анкеров диаметром, не превышающих толщину шва (рис. 14.1).

Края сеток заводят за поврежденный участок на длину не менее 500 мм.

Если поврежденный участок находится вблизи угла здания, сетку заводят за угол на стену не менее чем на 1000 мм.

Рис. 14.1. Восстановление кирпичных стен: а – с использованием обвязки из проволоки, б – с использованием готовых сеток: 1 – анкер, 2 – проволока, 3 – сетка, 4 – гвозди, 5 – восстанавливаемая кладка, 6 – раствор Для восстановления и усиления каменной кладки, имеющей сквозные трещины силового и осадочного характера (при стабилизировавшихся осадках), применяется инъецирование цементным и полимерным растворами путем их нагнетания под давлением до 0,6 МПа с помощью нагнетательных устройств.

';

Расчетное сопротивление каменной кладки, усиленной инъецированием раствора в трещины, принимается с учетом поправочного коэффициента mk, зависящего от вида раствора и характера трещин:

mk = 1,1 – для кладки с трещинами от силовых воздействий, инъецированных цементным раствором;

mk = 1,3 – то же, полимерным раствором;

mk = 1,0 – для кладки с трещинами от неравномерной осадки или нарушением связи между отдельными элементами, инъецированными цементным или полимерным растворами.

Частичная (полная) перекладка производится при наличии большого количества мелких, одиночных глубоких и сквозных трещин при стабилизировавшихся осадках здания. Для перекладки применяют кирпич и раствор марки, не ниже марки кирпича и раствора восстанавливаемой кладки. При перекладке участков должна быть сохранена принятая перевязка швов (рис. 14.2).

Рис. 14.2. Восстановление каменной кладки частичной перекладкой:

а – частичная перекладка с одной стороны, б – то же с двух сторон:

1 – трещина, 2 – восстанавливаемая стена, 3 – частичная перекладка Для восстановления целостности кирпичных стен, имеющих сквозные трещины силового и осадочного характера, применяют скобы из круглой стали диаметром не менее 6 мм, концы которых закрепляются в устраиваемых отверстиях в кладке на глубину 100 мм и более, а также накладки из листового или профильного металла, закрепляемые на усиливаемых участках стен с помощью стяжных болтов (рис. 14.3). Скобы и накладки могут размещаться с одной (при толщине стены 640 мм и менее) или двух сторон (при большей толщине) усиливаемого участка, на поверхности, в горизонтальных швах (для скоб диаметром, не превышающем толщину шва) и в предварительно подготовленных штрабах. Размещение накладок в штрабах эффективно при смещениях участков стен, разделенных трещиной, относительно друг друга по вертикали.

Рис. 14.3. Усиление стен наладками: а – общий вид усиления, б – усиление простенка, в – усиление вблизи угла здания: 1 – стальная накладка, 2 – стяжной болт, 3 – гайка, 4 – штраба, В качестве накладок применяются прокатные профили в виде швеллеров №№ 16…20, уголков с шириной полки, примыкающей к стене, 75…100 мм, а также полосовая сталь шириной 70 мм и более. Стяжные болты выполняют из круглой стали диаметром 16…22 мм. Расстояние от трещины до ближайших к ней стяжных болтов должно составлять не менее 600 мм. В случае если трещина находится вблизи угла здания, накладки заводятся за угол не менее чем на 1000 мм. После монтажа накладок штрабы заполняют бетоном. Стальные накладки, устанавливаемые на поверхности стен без устройства штраб, покрывают антикоррозионными составами или оштукатуривают по сетке.

14.2. Усиление элементов каменных конструкций При невозможности достижения требуемой степени повышения прочности без увеличения поперечного сечения элемента применяют методы усиления, увеличивающие площадь поперечного сечения путем устройства наращивания или обойм.

Наращивание может быть каменным, армокаменным или железобетонным.

Для наращивания применяется кирпич и раствор марок не ниже фактической условной марки кирпича и раствора, полученной при испытании образцов из усиливаемой конструкции.

Наращивание устраивают толщиной в 1/2 кирпича или более. Совместная работа с кирпичной кладкой усиливаемой конструкции обеспечивается путем устройства борозд в усиливаемой кладке глубиной в 1/2 кирпича или с помощью анкеров, забиваемых в швы. Для кладки наращивания возможно применение продольного и поперечного армирования.

Расчет прочности каменных конструкций, усиленных каменным (армокаменным) наращиванием, производится по [12] с учетом его совместной работы с усиливаемой конструкцией путем введения дополнительного коэффициента условий работы к расчетному сопротивлению каменной кладки наращивания, равного:

при усилении элемента под нагрузкой, превышающей 70 % расчетной, k, ad = 0,8.

при усилении элемента под нагрузкой, не превышающей 70 % расчетной, k, ad = 1.

Для устройства наращивания из железобетона применяется бетон класса не ниже C 12 15. Железобетонная часть возводится в предварительно подготовленных нишах или существующих каналах кирпичной кладки (рис. 14.4). Процент армирования железобетонной части сечения должен составлять 0,5…1,5 %. Так как деформативность каменной кладки существенно выше деформативности железобетона, то при усилении под нагрузкой дополнительные бетон и арматура работают совместно с усиливаемой конструкцией и достигают своего расчетного сопротивления в предельном состоянии.

Рис. 14.4. Усиление простенков с пилястрами монолитными железобетонными элементами: а, в – сквозная пробивка стены; б, г – устройство углублений с одной стороны: 1 – усиливаемая кладка, 2 – продольная арматура, Эффективным методом увеличения прочности каменной кладки при малых эксцентриситетах ( e0 h 6 ) является устройство обойм: стальной, железобетонной и растворной.

Наиболее массовыми элементами, усиливаемыми обоймой, являются столбы и простенки. Столбы, как правило, имеют прямоугольную форму поперечного сечения с соотношением сторон не более 1,5, что способствует эффективной работе обойм, ограничивающих поперечные деформации в сечении. Простенки имеют вытянутую в плане форму, обычно с соотношением сторон более двух. При этом для эффективного использования обойм устанавливаются дополнительные связи в виде стяжных болтов или анкеров. Допускаемые расстояния между связями (анкерами, хомутами) не более 1000 мм и не более двух толщин стены по длине, по высоте – не более 750 мм. Связи надежно закрепляют в усиливаемой кладке.

Стальная обойма – это система из продольных элементов уголкового профиля (рис. 14.5), устанавливаемых на растворе по углам или выступам конструкции и приваренных к ним поперечных элементов (планок) в виде полосовой или арматурной стали, а также опорных подкладок (при усилении всего столба или простенка, когда на продольные элементы передается часть усилий от вышерасположенных конструкций). Шаг планок принимают не более меньшего размера поперечного сечения и не более 500 мм.

Рис. 14.5. Усиление каменных конструкций стальной обоймой:

1 – усиливаемая конструкция, 2 – уголок, 3 – планка, 4 – поперечная связь, 5 – полоса, 6 – анкеры, 7 – болт, 8 – опорный уголок, 9 – стальная пластина Для повышения эффективности усиления поперечные планки рекомендуется напрягать. Для этого со стороны двух противоположных граней к продольным элементам приваривают планки только с одного конца. После чего нагревают планки до 100…120°С и приваривают в нагретом состоянии второй свободный конец к вертикальным уголкам. При остывании планок происходит обжатие усиливаемой конструкции.

Железобетонная обойма (рис. 14.6) представляет собой пространственный арматурный каркас из продольной и поперечной арматуры, омоноличенный бетоном. Этот вид обоймы применяется при значительных повреждениях кладки и позволяет значительно повысить прочность усиливаемого каменного элемента.

Рис. 14.6. Усиление железобетонной обоймой: а – столбов, б – простенков:

1 – усиливаемая конструкция, 2 – продольная арматура, 3 – поперечная арматура, 4 – бетон, 5 – дополнительные поперечные связи, 6 – продольная арматура, 7 – анкеры Толщину обоймы и площадь поперечного сечения арматуры определяют расчетом. Ориентировочно толщина обоймы принимается 40…120 мм, диаметр поперечных стержней – 4…10 мм. Для обеспечения сцепления с бетоном продольная арматура отстоит от усиливаемой кладки не менее чем на 30 мм. Шаг хомутов принимают согласно расчету, но не более 150 мм. Шаг продольной арматуры – 250…300 мм. Для обоймы рекомендуется применять бетоны классов C 12 15 и выше.

Для увеличения площади контакта кладки с элементами усиления обоймы рекомендуется в кладке через каждые 3-4 ряда выполнять борозды на глубину 1/2 кирпича или расчищать швы кладки на 10…15 мм в глубину. Бетонирование производится методом инъецирования, нагнетая смесь через инъекционные отверстия в опалубке, торкретированием или последовательным бетонированием с наращиванием опалубки.

Армированная растворная обойма выполняется по аналогии с железобетонной, но вместо бетона применяют раствор марки не ниже М50.

Растворная обойма позволяет сохранить существующие размеры поперечного сечения практически без изменения. При производстве работ не применяется опалубка. Цементный раствор, наносимый тонким слоем порядка 30…40 мм, выполняет функции связи между усиливаемой кладкой и арматурой и защищает арматуру от коррозии. Минимальная толщина защитного слоя составляет: для внутренних сухих помещений – 15 мм, для наружных и влажных помещений – 20…25 мм.

Для усиления каменных конструкций под нагрузкой, превышающей 70…80 % от расчетной, эффективно (позволяют повысить прочность каменных конструкций в 2-3 раза) применение предварительно напряженных распорок, установленных с одной или с двух сторон конструкции, в которых рабочими элементами являются вертикальные ветви распорки, а поперечные планки выполняют роль соединительных элементов, уменьшающих свободную длину ветвей.

Предварительно напряженные распорки (аналогично усилению железобетонных конструкций) состоят из уголковых профилей, располагаемых по углам конструкции и связанных друг с другом планками из полосовой стали или стержневой арматуры. Сверху и снизу распорки передают нагрузку на опорные уголки. Предварительное напряжение распорок осуществляется путем их перегиба в середине длины или с помощью домкратов.

14.3. Расчет усиления элементов каменных конструкций Расчет каменных конструкций, усиленных обоймами, производится в соответствии с [12].

При усилении элементов стальной обоймой в случае эксцентриситетов приложения нагрузки, не выходящих за пределы ядра сечения (малые эксцентриситеты), расчет производится по условию где N Sd – продольная сила от действующих нагрузок; A – площадь сечения усиливаемой кладки; As, ad – площадь сечения вертикальных уголков; R – расчетное сопротивление кладки сжатию, определяемое по условной марке кирпича или раствора; f ywd, ad – расчетное сопротивление планок; R y, ad – расчетное сопротивление вертикальных уголков; – коэффициент продольного изгиба, при определении которого характеристика применяется как для неусиленной кладки; mg – коэффициент, учитывающий влияние длительного действия нагрузки; mk – коэффициент условий работы кладки, принимаемый: 1 – для кладки без повреждений, 0,7 – для кладки с трещинами; µ ad – процент армирования дополнительной поAsw, ad ( b + h ) речного сечения планки; h, b – размеры поперечного сечения кладки; sad – расстояние между планками; – коэффициент, принимаемый: при ценe тральном сжатии – 1, при внецентренном сжатии – по формуле 1 0 ;

– коэффициент, принимаемый: при центральном сжатии – 1, при внеe центренном сжатии – по формуле 1 0.

Расчет каменных конструкций с малыми эксцентриситетами, усиленных железобетонной обоймой, производится из условия где f ywd, ad – расчетное сопротивление поперечной арматуры; f yd, ad – расчетное сопротивление продольной арматуры; Ac, ad – площадь сечения бетона обоймы, заключенного между хомутами и кладкой (до защитного слоя); As 2, ad – площадь сечения продольной арматуры; c, ad – коэффициент условий работы бетона, равный: 1 – при передаче нагрузки на обойму и наличии опоры обоймы снизу; 0,7 – при передаче нагрузки на обойму и отсутствии опоры внизу обоймы; 0,35 – без непосредственной передачи нагрузки на обойму.

Расчет конструкций с малыми эксцентриситетами, усиленных растворной армированной обоймой, осуществляется из условия При расчете обойм с дополнительными поперечными связями (при усилении простенков с соотношением сторон больше двух) в формулах (14.1), (14.2) и (14.3) для дополнительных связей вводится коэффициент условия работы равный 0,5.

Расчетные сопротивления поперечной и продольной арматуры, применяемой при устройстве обойм, принимаются по табл. 14.1.

Продольная арматура без непосредственной передачи нагрузки на обойму То же, при передаче нагрузки на обойму с одной стороны То же, при передаче нагрузки на обойму с двух сторон Расчет центрально и внецентренно сжатых каменных элементов, усиленных предварительно напряженными распорками, производят в следующей последовательности:

определяют фактическую прочность столба или простенка N Rd по данным поверочных расчетов;

определяют величину перегрузки элемента N = N Sd N Rd, где N Sd – усилие, действующее на элемент после реконструкции;

определяют площадь поперечного сечения распорки из условия где Ap, ad – площадь поперечного сечения распорки, R y, ad – расчетное сопротивление стали распорки, s, ad – коэффициент условий работы распорки.

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 = 0,4Ryn,ad и не более p,max = 0,8Ryn,ad. Задаваясь величиной предварительного напряжения распорки, по формуле (12.2) определяют величину отклонения ветвей предварительно напряженной распорки.

14.4. Усиление сопряжений элементов каменных конструкций Для восстановления целостности стен в местах сопряжения применяют стальные затяжки (рис. 14.7), шпонки (рис. 14.8), гибкие связи в виде анкеров (рис. 14.9), а также перекладку поврежденных участков.

Рис. 14.7. Восстановление сопряжений стен стальными затяжками:

1 –продольная стена, 2 – поперечная стена, 3 – перекрытие, 4 – тяжи, 5 –распределительные прокладки, 6 – гайки, 7 – цементный раствор Рис. 14.8. Восстановление сопряжений железобетонными шпонками:

а – с вертикальными арматурными каркасами, б – то же, с горизонтальными каркасами Рис. 14.9. Восстановление сопряжений гибкими связями: 1 – продольная стена, 2 – железобетонная колонна, 3 – закладная деталь колонны, 4 – сварка, 5 – анкер Стальные затяжки выполняют из круглой стали диаметром 20…25 мм с резьбой по концам и распределительных прокладок из уголков или швеллеров. Стальные затяжки располагают, как правило, в уровне перекрытия. Устройство затяжек производят в следующей последовательности: устраивают горизонтальную штрабу в продольной стене на глубину 60…130 мм, просверливают отверстия для тяжей. В поперечных стенах на расстоянии не менее 1000 мм от места разрыва пробивают отверстие для установки распределительной прокладки. Тяжи закрепляют на распределительных прокладках и предварительно напрягают завинчиванием гаек на концах в сочетании с нагреванием тяжей. После монтажа затяжек тяжи покрывают антикоррозионными составами, а штрабы заполняют бетоном или заделываются кирпичом.

Для восстановления сопряжений стен также используются шпонки:

железобетонные и стальные. На этаж устанавливается не более 2-3 шпонок. Для первого этажа: в уровне пола у фундамента, в середине стены и в уровне перекрытия.

Железобетонные шпонки состоят из арматурного каркаса из стержней 16…20 мм и бетона класса C 12 15 и выше.

Стальные шпонки выполняют из пластин, уголков, швеллеров. При устройстве стальных шпонок пробивают вертикальные штрабы длиной 400…600 мм. Монтаж шпонок производят на растворах повышенной прочности. Шпонки оборачивают металлической сеткой, а после монтажа стягивают болтами диаметром не менее 16 мм и оштукатуривают раствором.

Перекладка участков стен, простенков осуществляется в случаях значительных отклонений от вертикали, сдвигов, перекосов, выпучиваний, когда отклонение от первоначального положения составляет более 1/3 толщины, с обязательным креплением гибкими связями к близлежащим конструкциям: стенам, колоннам, перекрытиям и покрытиям.

14.5. Повышение пространственной жесткости каменных зданий В результате неравномерной осадки оснований фундаментов, различной жесткости элементов и разнонагруженности стен, а также при воздействиях природных и техногенных факторов происходит нарушение пространственной жесткости коробки здания в целом или какой-либо ее части.

Для восстановления целостности остова здания применяют пояса, которые воспринимают неравномерные деформации, растягивающие усилия кладки и способствуют перераспределению нагрузки на основание.

В зависимости от характера проводимых работ (восстановление жесткости эксплуатируемого здания, реконструкция или надстройка), причин и вида повреждений применяются стальные (гибкие, жесткие), армокаменные или железобетонные пояса.

Стальные гибкие напрягаемые пояса (рис. 14.10) представляют собой систему горизонтальных распределительных устройств, состоящих из тяжей диаметром 20…40 мм, напрягаемых при помощи муфт с двухсторонней резьбой (правой и левой) или закручиванием гаек на концах, концевых и промежуточных упоров.

Поясами создается один или несколько замкнутых контуров по стенам. Производится объемное обжатие всего здания или его части.

С целью эффективного обжатия всей коробки здания длину большей части пояса рекомендуется принимать не более 1,5 коротких. В многоэтажных зданиях тяжи устанавливают в уровне перекрытий. Допускается связь тяжей с перекрытиями. В промышленных и общественных одноэтажных зданиях тяжи устанавливают в уровне низа стропильных конструкций.

Пояса устанавливают либо на поверхности стен, ухудшая внешний вид, но сокращая трудоемкость работ, либо в штрабах кладки, не меняя внешнего вида и надежно предохраняя металлические детали от коррозии.

При устройстве пояса в кладке пробивают горизонтальные штрабы глубиной 70…80 мм и сквозные отверстия для продольных и поперечных тяжей. На углах здания на растворах повышенной прочности вертикально устанавливают отрезки уголков. Если пояса устанавливают на поверхности стен, для удобства монтажа и исключения провисания тяжей по длине в кладку забивают промежуточные скобы.

Монтаж поясов усиливаемого здания осуществляется последовательно снизу вверх (см. рис. 14.10).

Предварительное напряжение производят с помощью соединительных муфт одновременным натяжением всех тяжей или первоначально напрягают тяжи проходящие внутри здания, а затем – снаружи. Натяжение производят динамометрическим ключом, домкратом или ломиком с плечом 1500 мм с усилием на конце 30…40 кг. Для уменьшения трудоемкости натяжения рекомендуется осуществлять электро- или термонагрев тяжей. Степень натяжения следует контролировать приборами. Тяжи считаются натянутыми, если они не провисают и при ударе по ним ломиком издают звук высокого тона. При устройстве тяжей в условиях пониженных температур выполняется их дополнительное натяжение. После фиксации тяжей и их напряжения производится инъецирование трещин в стенах или выполняется частичная перекладка в зависимости от характера и степени повреждения.

Рис. 14.10. Усиление здания стальными предварительно напряженными поясами:

1 – тяж, 2 – стяжная муфта с двухсторонней резьбой, 3 – упорный уголок, Расчет сечения гибких тяжей производят из условия равной прочности тяжей на растяжение и каменной кладки на срез.

Расчетное усилие определяется по формуле где Rsq – расчетное сопротивление кладки на срез, МПа; l – длина стены; b – толщина стены.

Стальные жесткие пояса (рис. 14.11) выполняются из профильной стали (в основном, из швеллеров, уголков и полосовой стали) и предназначаются для передачи усилий на более прочные участки. Пояса охватывают все здание или его часть, выполняются замкнутыми или незамкнутыми.

Незамкнутые пояса применяют при разрывах здания, продольных и поперечных стен, углов. Номер профиля назначается конструктивно.

Рис. 14.11. Усиление части здания устройством предварительно напряженного стального пояса из прокатных профилей: 1 – трещина, 2 – пояс из швеллера, Стальные жесткие пояса могут выполняться предварительно напряженными. Натяжение жестких поясов осуществляется с помощью болтовых соединений (рис. 14.12). Диаметр натяжного болта (шпильки) определяется расчетом и ориентировочно составляет 20…25 мм.

Стальные жесткие пояса устанавливают по всему контуру здания или его части в штрабах или на поверхности стен. В зависимости от толщины стены пояса располагаются с одной или двух сторон стены: при толщине более 640 мм – с двух сторон, при толщине менее 640 мм – с одной.

Фиксация двухсторонних поясов выполняется болтами диаметром 16...20 мм, которые при помощи гаек стягивают пояса друг с другом и играют роль анкеров. При расположении пояса с одной стороны совместная работа достигается за счет устройства анкеров (рис. 14.11, вариант А (в штрабе). Шаг болтов – 2000...2500 мм, анкеров – 500...700 мм.

Рис. 14.12. Натяжное устройство предварительно напряженного Стальные гибкие и жесткие пояса, установленные на поверхности стен, вместе с муфтами, упорными уголками, накладками, огрунтовывают и окрашивают или оштукатуривают по сетке.

При надстройке здания с целью повышения его пространственной жесткости в уровне перекрытий, покрытий выполняют армокаменные (рис. 14.13, а) или железобетонные (рис. 14.13, б) пояса жесткости.

Рис. 14.13. Усиление стен здания поясами: а – армокаменным; б – железобетонным:

1 – кирпичная кладка стен, 2 – армокаменный пояс, 3 – стальная сетка, 4 – железобетонный пояс, 5 – продольная арматура, 6 – поперечная арматура, При устройстве армокаменного пояса допускается применение продольных стержней арматуры в поясе диаметром до 12 мм с утолщением шва до 25 мм. Ориентировочно площадь продольной арматуры пояса в стенах толщиной до 510 мм можно принимать в пределах 4,5 см2, а при большей толщине – 6,5 см2.

Железобетонный пояс выполняется из бетона класса не ниже C с армированием пространственным арматурным каркасом. Возможно использование жесткой арматуры в поясе. Высота поперечного сечения пояса составляет не менее 120 мм, ориентировочно ширина сечения пояса принимается равной: при толщине стены до 510 мм – толщине стены с учетом утепления, при толщине стены более 510 мм – возможно устройство меньшего по ширине пояса. В месте устройства железобетонного пояса следует предусматривать дополнительное утепление стен для ликвидации «мостиков холода».

14.6. Замена и усиление перемычек каменных зданий Полную перекладку клинчатых и арочных перемычек начинают одновременно с двух концов пролета перемычки до замкового камня. При этом рекомендуется выполнять плотное осаживание кирпича. Замковый камень плотно пригоняют по месту. Включение перемычки в работу осуществляется путем обработки кирпича «на клин» или устройством клинообразного шва с размерами его внизу перемычки не менее 5 мм и вверху не более 25 мм.

Работы по замене брусковых перемычек начинают с установки временных креплений. Борозды (штрабы) пробивают с двух сторон перемычки поочередно. Высота и ширина борозд должна соответствовать высоте и ширине заменяемой перемычки и иметь зазор порядка 40...60 мм для плотной заклинки вновь подведенных элементов с существующей кладкой.

Пробивка начинается с наиболее ослабленных мест старой перемычки.

До монтажа стальных заменяющих балок из профильной стали (уголков, швеллеров) последние обворачивают сетками. При монтаже балок обеспечивается тщательное заполнение раствором марки не ниже М100 зазоров между кирпичной кладкой и устанавливаемой конструкцией.

После заполнения раствором стальные балки стягивают болтами. Шаг стяжных болтов принимают не более 500 мм при пролетах не более 2400 мм и не более 800 мм при пролетах более 2400 мм. Расстояние от торцов профиля до стяжного болта принимается не менее 100 мм.

Аналогичный метод применяется и при устройстве новых проемов в существующих стенах (рис. 14.14).

Рис. 14.14. Устройство нового проема в существующих стенах: 1 – швеллер, 2 – стяжные болты, 3 – раствор, 4 – стальная сетка, 5 – устраиваемый проем Номер профиля швеллера стальных перемычек для конкретной ширины проема при различных толщинах стен указан в табл. 14.2. После монтажа элементов перемычки и твердения раствора осуществляется пробивка проемов под перемычками. Величина опорных зон для стальных перемычек из швеллеров при существующих или проектируемых проемах устанавливается согласно табл. 14.3.

Подбор несущих перемычек в существующих стенах Примечание. Приведенные в таблице профили рассчитаны на нагрузку, эквивалентную слою кладки на высоту равную 1/3 пролета перемычки. Опирание перекрытий, прогонов над перемычкой допускается только на высоте пролета перемычки.

При наличии в перемычках дефектов и повреждений для повышения их прочности применяются стальные накладки, представляющие собой упругую опору для элементов (рис. 14.15, 14.16). Накладки выполняют из профильной стали уголкового или швеллерного профиля. Связь профилей между собой осуществляют планками из полосовой стали.

Длина опирания несущих перемычек в существующих стенах Толщина стены Рис. 14.15. Усиление плоских перемычек накладками:

1 – продольные уголки, 2 – поперечные планки, 3 – торцевые уголки, 4 – проем Рис. 14.16. Усиление арочной перемычки: 1 – накладки усиления арочной перемычки, 2 – планка, 3 – вертикальный уголок, 4 – опорный уголок Усиление уголками осуществляется с двух сторон поврежденной перемычки на цементном растворе марки не ниже М100. Для этого расчищают горизонтальный шов на глубину до 70 мм в опорных частях перемычек. Зазоры между уголками и перемычкой не допускаются. У торцов перемычки пробивают отверстия для установки отрезков уголков или полосы на всю толщину стены с одного, затем с другого торца. Уголки (полосы) приваривают к торцам продольных уголков. По длине уголки соединяют планками с шагом не более толщины стены и не более 500 мм. Соединительные планки можно заменять сетками, приваренными к нижней грани уголков. Размеры уголков определяются расчетом.

При недостаточной высоте полки уголков и большой ширине проема рекомендуется устанавливать подвески в виде наклонных планок из полосовой стали, толщиной 4 мм и более или круглой стали диаметром 10…16 мм с концевыми анкерами в верхней части стены над простенками. Внизу подвески привариваются к продольным уголкам каркаса (рис. 14.17).

Рис. 14.17. Усиление плоских перемычек с использованием подвесок:

1 – накладки усиления, 2 – подвески из полосовой стали, 3 – отверстия под подвески, 4 – опорная подкладка, 5 – болт, 6 – существующий проем Усиление перемычек может осуществляться путем уменьшения ширины проема за счет устройства дополнительных рядов кладок со стороны проема с обязательной перевязкой старой и новой кладки.

1. Назовите наиболее распространенные методы восстановления каменных конструкций.

2. В каких случаях для восстановления каменных конструкций применяется оштукатуривание?

3. Какими способами обеспечивается надежное сцепление штукатурного слоя с кирпичной кладкой эксплуатируемых зданий?

4. В каких случаях для восстановления каменных конструкций применяется и как выполняется инъецирование?

5. Как определяется расчетное сопротивление каменной кладки, усиленной инъецированием раствора в трещины?

6. В каких случаях для восстановления каменных конструкций применяется частичная (полная) перекладка?

7. В каких случаях и как устраиваются стальные накладки для кирпичных стен эксплуатируемых зданий?

8. В каких случаях и как для усиления каменных конструкций устраивается наращивание и обоймы?

9. Каким образом обеспечивается совместная работа дополнительных элементов при усилении каменных конструкций с усиливаемыми конструкциями?

10. Расскажите об устройстве и методике расчета прочности усиленных железобетонной (растворной, стальной) обоймой каменных конструкций?

11. В каких случаях и как для усиления каменных конструкций применяются предварительно напряженные распорки?

12. Каким образом производится усиление мест сопряжения кирпичных стен?

13. В каких случаях и как для усиления каменных зданий устраиваются стальные предварительно напряженные пояса?

14. В каких случаях и как для усиления каменных зданий устраиваются железобетонные пояса?

15. Изложите технологию замены перемычек и устройства новых проемов в кирпичных стенах.

16. Приведите примеры методов усиления перемычек проемов в кирпичных стенах.

Тема 15. УСИЛЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ Усиление металлических конструкций может производиться после их разгружения или под нагрузкой:

– увеличением поперечного сечения отдельных элементов и узлов их соединений, – изменением расчетной схемы конструкций.

Особенностью усиления металлических конструкций является доступность сечения по всей длине элементов и свариваемость металла, позволяющие уменьшить трудоемкость обеспечения совместной работы основного и дополнительного элементов.

Однако нагрев элементов при сварке может снижать его прочность.

При температуре более 550°С металл переходит в пластическое состояние и выключается из работы по восприятию усилий. Степень снижения прочности металла в месте сварки зависит от способа и режима сварки, толщины и ширины элемента, а также от направления сварных швов. Так, для продольных швов снижение прочности составляет до 15 %, а для поперечных – достигает 40 %. Исходя из этого, запрещается применение поперечных сварных швов при усилении металлических конструкций под нагрузкой.

С целью безопасности производства работ и повышения эффективности усиления металлических элементов и узлов их сопряжений следует стремиться к максимальному разгружению конструкции перед усилением, чтобы максимальные напряжения не превышали 0,8 R y (где R y – расчетное сопротивление стали по пределу текучести).

15.2. Усиление металлических конструкций Усиление увеличением поперечного сечения металлических конструкций, работающих на растяжение, сжатие и изгиб, производится присоединением дополнительных элементов. Совместная работа дополнительных элементов усиления с усиливаемой конструкцией обеспечивается путем сварки, а также с помощью болтового или заклепочного соединения.

При выполнении усиления центрально-растянутых и сжатых металлических конструкций следует стремиться к сохранению центровки усиливаемых элементов и узлов соединений (то есть дополнительные элементы необходимо располагать так, чтобы положение центра тяжести элемента после усиления не изменялось), в противном случае, требуется проверка прочности усиленного элемента и узла сопряжения с учетом появившегося эксцентриситета.

При конструировании усиления сварные швы, болтовые и заклепочные соединения необходимо располагать в удобных для исполнения и контроля качества местах. Кроме того, при сварных соединениях следует учитывать появление дополнительных и остаточных сварочных деформаций.

Например, усиление ферм следует начинать с элементов и узлов нижнего пояса, а затем производить усиление верхнего пояса.

Обеспечение совместной работы дополнительных деталей при усилении растянутых элементов производится их обязательной заводкой в узлы на расстояние, необходимое для размещения прикрепляющих швов, достаточных для полного включения в работу у границы узловой фасонки.

В качестве дополнительных элементов при усилении центральнорастянутых элементов используются, как правило, полосы и круглые стержни (рис. 15.1). При этом в случае приварки усиливающих полос к полкам и перу спаренных уголков требуется срезка выступающих концов соединительных планок.

В случае обеспечения совместной работы дополнительных элементов с усиливаемым растянутым элементом посредством сварки сварные швы рекомендуется принимать с высотой катета шва 3…6 мм (в зависимости от толщины соединяемых деталей), а швы, расположенные вблизи края элемента, следует выполнять сплошными, т.к. прерывистые швы создают многочисленные «надрезы» – концентраторы напряжений, способствующие хрупкому разрушению при растяжении.

Усиление сжатых элементов стальных конструкций производится:

– увеличением поперечного сечения элемента при незначительном изменении его гибкости, – увеличением поперечного сечения элемента со значительным уменьшением его гибкости, – уменьшением расчетной длины элемента без изменения поперечного сечения.

В практике усиления металлических конструкций первый метод применяется для сжатых элементов небольшой длины (коротких), когда прочность элемента определяется площадью его поперечного сечения. Два других метода усиления характерны для длинных сжатых элементов, теряющих устойчивость при разрушении.

В первом случае для усиления центрально-сжатых элементов, аналогично растянутым, в качестве дополнительных элементов могут быть использованы полосы и круглые стержни, эффективно увеличивающие площадь поперечного сечения, но незначительно изменяющие его жесткость при изгибе (см. рис. 15.1). Как и в случае растянутых элементов, дополнительные детали усиления должны заводиться в узлы сопряжения.

При усилении сжатых элементов увеличением поперечного сечения с уменьшением его гибкости в качестве дополнительных элементов используются прокатные профили в виде труб, уголков, швеллеров и т.д., развивающих сечение и эффективно повышающих его жесткость при изгибе (рис. 15.2). При этом если нет опасности потери устойчивости для сечения не усиленного элемента вблизи узла, детали усиления могут быть не заведены в узел и не прикреплены к нему. Допускается применение прерывистых швов, уменьшающих сварочные деформации, сокращающие сроки сварочных работ и массу наплавленного металла.

Рис. 15.1. Усиление увеличением поперечного сечения без изменения гибкости металлических элементов: а – из спаренных уголков; б – из спаренных швеллеров; в – из двутавров Рис. 15.2. Усиление увеличением поперечного сечения с уменьшением гибкости металлических элементов: а – из спаренных уголков; б – из спаренных швеллеров и двутавров; в – сварных сплошного сечения; г – клепаных Уменьшение расчетной длины отдельных элементов эффективно в случае, когда не обеспечена их устойчивость. Усиление сжатых элементов уменьшением его расчетной длины в плоскости стропильной фермы производится установкой дополнительных раскосов или подвесок (рис. 15.3, а), из плоскости фермы или для отдельно стоящих стоек – предварительно напряженных шпренгелей (рис. 15.3, б, в).

Рис. 15.3. Усиление стальных конструкций за счет уменьшения их расчетной длины:

а – установкой дополнительных раскосов; б, в – установкой предварительно напряженных шпренгелей: 1 – усиливаемый элемент, 2 – дополнительные раскосы, 3 – дополнительная подвеска, 4 – предварительно напряженные шпренгели Усиление изгибаемых металлических конструкций имеет следующие особенности:

увеличение поперечного сечения изгибаемого элемента можно ограничивать лишь зоной действия максимальных изгибающих моментов, где усиление требуется по расчету;

при конструировании усиления следует стремиться к наиболее эффективному размещению дополнительных деталей (на возможно большем расстоянии от нейтральной оси неусиленного сечения);

учитывая влияние сварочных деформаций при усилении, увеличивающих прогиб, усиление изгибаемых элементов необходимо начинать с нижнего пояса, затем при необходимости следует усилить стенку, в последнюю очередь – верхний пояс.

Некоторые варианты конструктивных схем усиления стальных балок приведены на рис. 15.4 и 15.5.

Рис. 15.4. Усиление изгибаемой балочной конструкции в пролете Рис. 15.5. Усиление стальных балок увеличением поперечного сечения с применением:

а – пластин; б – стержней; в – уголков; г – труб; д – двутавров Усиленная стальная балка кроме условия прочности должна удовлетворять условиям общей и местной устойчивости. Повышение местной устойчивости балок достигается установкой дополнительных поперечных (рис. 15.6, а), продольных (рис. 15.6, б) и диагональных ребер жесткости (рис. 15.6, в). С целью уменьшения концентрации местных напряжений у концов коротких поперечных ребер жесткости в сжатой зоне они должны быть окаймлены продольными ребрами жесткости (рис. 15.6, г).

Повышение местной устойчивости элементов стальных конструкций может быть достигнуто также их бетонированием (рис. 15.7, а) или прикреплением к ним деревянных деталей (рис. 15.7, б, в).

Рис. 15.6. Усиление стенок стальных балок дополнительными ребрами жесткости:

а – поперечными; б – продольными; в – диагональными; г – короткими поперечными с окаймлением их продольными ребрами жесткости Рис. 15.7. Усиление стенок стальных конструкций: а – заполнением полости колонны бетоном; б, в – прикреплением деревянных брусьев; 1 – усиливаемая стальная конструкция, 2 – бетон, 3 – отверстие в стенке для заполнения бетоном, 15.3. Расчет металлических конструкций, усиленных увеличением их поперечного сечения Расчет усиления стальных конструкций увеличением их поперечного сечения производится исходя из стадии напряженно-деформированного состояния и принятой гипотезы:

по упругой стадии – сечение дополнительного элемента усиления воспринимает только усилие от нагрузок, приложенных к конструкции после усиления;

по пластической стадии – при достижении напряжений в сечении усиливаемого элемента предела текучести происходит перераспределение и выравнивание напряжений с сечением дополнительного элемента.

Схема напряженного состояния металлической балки, усиленной под нагрузкой, приведена на рис. 15.8.

Рис. 15.8. Схема напряженного состояния балки, усиленной под нагрузкой:

Расчет усиления металлических конструкций по пластической стадии дает более экономичные решения, но не для всех случаев разрушения экспериментально подтвержден. Поэтому данный вариант расчета применяется при действии статических нагрузок на усиливаемые элементы при отсутствии опасности потери устойчивости. В остальных случаях расчет производится по упругой стадии.

Расчет усиленных центрально-растянутых и коротких сжатых элементов производится из условий прочности:

по упругой стадии по пластической стадии где N, N ad – соответственно продольное усилие, действующее в элементе при его усилении и продольное усилие от дополнительной нагрузки, приложенной после усиления; Ao, Aad – соответственно площадь поперечного сечения основного и дополнительного элементов; R y – расчетное сопротивление стали основного или дополнительного элемента (меньшее значение); c – коэффициент условий работы элемента конструкции по [11, приложение 4*].

Расчет усиления сжатых элементов по условию устойчивости производится с учетом того, что потеря устойчивости элемента, усиленного под нагрузкой, может произойти только для всего усиленного сечения. Поэтому в расчете используется коэффициент продольного изгиба ( o + ad ), определенный по гибкости элемента после усиления.

Расчет усиленных центрально-сжатых элементов выполняется из условия обеспечения устойчивости Возможные искривления от сварки при проверке устойчивости допускается учитывать с помощью коэффициента условий работы c = 0,8.

Расчет прочности по крайнему сжатому или растянутому волокнам усиленных изгибаемых элементов производится из условий:

по упругой стадии для крайнего волокна основного сечения на расстоянии yc, o от центра тяжести основного сечения и расстоянии yc,(o + ad ) от центра тяжести усиленного сечения по упругой стадии для крайнего волокна дополнительного сечения по пластической стадии где M, M ad – соответственно изгибающий момент, действующий в элементе при его усилении и изгибающий момент от дополнительной нагрузки, приложенной после усиления; I o, I (o + ad ) – момент инерции поперечного сечения элемента соответственно до усиления и после усиления;

R y, R y, ad – расчетное сопротивление стали соответственно основного и дополнительного элемента при растяжении или сжатии; y d (o + ad ) – расстояние от центра тяжести усиленного сечения до крайнего волокна дополнительного элемента; W(o + ad ) – пластический момент сопротивления поперечного сечения усиленного элемента, принимаемый не более 1,2 упругого момента сопротивления сечения усиленного элемента.

Для усиленных изгибаемых элементов должно выполняться условие прочности на сдвиг по контакту основного и дополнительного сечения где S – статический момент части сечения дополнительной детали усиления относительно нейтральной оси; – толщина основного или дополнительного элемента в месте соединения; Rs – расчетное сопротивление стали срезу основного или дополнительного элемента.

Проверка местной устойчивости стенки балочных конструкций после усиления производится для всех отсеков между поперечными ребрами жесткости без учета начальных напряжений в ней от нагрузки при усилении по методике действующих норм.

Швы, прикрепляющие дополнительные детали усиления к основному сечению усиливаемых элементов, рассчитываются на восприятие сдвигающих усилий, равных предельным усилиям на растяжение или сжатие для дополнительных деталей усиления.

Усиление отдельных элементов металлических конструкций, имеющих погнутости, трещины, вмятины и разрывы сечений, производится, как правило, после их разгружения выравниванием, присоединением дополнительных деталей (рис. 15.9, 15.10) или заменой поврежденной части (рис. 15.11).

Рис. 15.9. Усиление элементов стальных конструкций, имеющих повреждения, накладками: а – из уголка; б – из швеллера с дополнительными соединительными Рис. 15.10. Усиление искривленных стальных элементов шпренгелем Рис. 15.11. Восстановление элементов стальных конструкций вырезанием и заменой поврежденной части: а – элементов из спаренных уголков;

15.4. Усиление соединений металлических конструкций Усиление сварных швов производят путем увеличения их длины или толщины.

Стыковые швы не усиливают, так как их высота определяется толщиной стыкуемых элементов и устройство валика шва, выступающего от поверхности элементов, может только ухудшить условия его работы из-за концентрации местных напряжений.

Усиление угловых швов выполняется увеличением их длины (за счет устройства дополнительных лобовых швов или приварки дополнительных ребер, накладок и т.д.) и (или) катета. При этом с целью снижения влияния сварочных напряжений расстояние между элементами узлов сопряжений рекомендуется принимать не менее 40 мм (рис. 15.12, 15.13, а, б).

Рис. 15.12. Усиление сварных швов: а – увеличением длины за счет наложения лобового шва; б – увеличением высоты катетов угловых швов: 1 – существующие швы, 2 – дополнительный лобовой шов, 3 – дополнительная наплавка Увеличение толщины шва необходимо производить послойно, наплавляя слой не более 2 мм, начиная с места дефекта усиливаемого шва (подрезы, кратеры, наплывы и т.д.) и используя при этом электроды толщиной не более 4 мм. Усиление последующего шва выполняется после остывания предыдущего до 100°С. Высота катета шва после наплавления не должна превышать: толщины полки со стороны пера, полутора толщин полки профиля со стороны обушка.

Усиление поперечных швов растянутых элементов под нагрузкой не допускается.

При увеличении длины сварных швов соединяемых элементов уголкового профиля дополнительные швы следует накладывать в направлении уже существующих, начиная от края фасонки со стороны обушка. Расчет усиленных сварных швов производится без учета начальных напряжений от нагрузки при усилении.

Рис. 15.13. Усиление узловых соединений: а, б – сварных; в – клепаных:

1 – дополнительные швы, 2 – накладки, 3 – дополнительные фасонки, 4 – дополнительные ребра, 5 – дополнительные высокопрочные болты Усиление заклепочных и болтовых соединений при ослабевании стяжки пакета деталей производится увеличением количества заклепок и болтов (рис. 15.13, в) или их заменой высокопрочными болтами с предварительным напряжением путем закручивания гаек тарировочными ключами. Натяжение высокопрочных болтов выполняют от середины узла к краям. В ряде случаев усиление заклепочных и болтовых соединений производится заменой их сваркой.

Расчет высокопрочных болтов и сварных швов усиленных заклепочных и болтовых соединений, сочетающих после усиления заклепки («черные» болты) и высокопрочные болты (сварные швы), из-за разной деформативности производится на полное усилие после усиления.

15.5. Усиление металлических конструкций Усиление металлических конструкций изменением их расчетной схемы является эффективным методом, который позволяет перераспределить усилия между элементами. Все методы, рассмотренные для железобетонных конструкций (тема 12) (изменение места передачи нагрузки, повышение степени внешней статической неопределимости, повышение степени их внутренней статической неопределимости), применимы и для металлических конструкций.

На рисунках 15.14…15.16 приведены схемы усиления металлических конструкций повышением степени статической неопределимости: путем обеспечения неразрезности стальных шарнирно опертых балок (рис. 15.14), путем устройства дополнительных жестких и упругих опор в виде подкосов, подвесок и кронштейнов для балочных конструкций (рис.

15.15), устройством затяжек, шарнирно-стержневых цепей для стропильных ферм (рис. 15.16, а, б), включением в совместную работу со стропильной фермой конструкции светоаэрационного фонаря (рис. 15.16, в).

Рис. 15.14. Усиление стальных балок обеспечением их неразрезности:

При проектировании усиления конструкций изменением их расчетной схемы следует производить проверку прочности и устойчивости всех элементов и их сопряжений на действие изменившихся усилий. Применение данных методов усиления может повлечь за собой необходимость усиления не только отдельных элементов, но и узловых соединений.

Следует стремиться к максимальной разгрузке усиливаемых конструкций, т. к. перераспределяться по новой схеме будут только усилия от нагрузки, приложенной после усиления. Эффективно выполнять предварительное напряжение дополнительных элементов усиления.

Рис. 15.15. Схемы усиления стальных балок дополнительными жесткими и упругими опорами: а – предварительно напряженными подкосами с опиранием на фундаменты;

б – подкосами с опиранием на колонну; в – подвесками; г – предварительно напряженными кронштейнами: 1 – подкосы, 2 – затяжка с натяжным Рис. 15.16. Схемы усиления стропильных ферм: а – предварительно напряженными затяжками, б – шарнирно-стержневыми цепями, в – включением конструкции фонаря в совместную работу с фермой: 1 – затяжка, 2 – натяжное приспособление, 3 – стальной канат, 4 – подвеска, 5 – дополнительная стойка, 6 – дополнительный раскос На рисунке 15.17 приведены примеры усиления стальных балочных конструкций повышением степени внутренней статической неопределимости устройствами предварительно напряженной горизонтальной и шпренгельной затяжки.

Рис. 15.17. Схемы усиления стальных балок повышением степени внутренней статической неопределимости: а – предварительно напряженной горизонтальной затяжкой;

б – предварительно напряженной шпренгельной затяжкой: 1 – горизонтальная затяжка, 2 – натяжное приспособление, 3 – анкерное устройство, 4 – шпренгельная затяжка, 5 – дополнительная стойка, 6 – дополнительный подкос При этом анкерные устройства по концам затяжки могут быть размещены в любом месте по длине пролета усиливаемой конструкции. Принципы расчета стальных балочных элементов, усиленных предварительно напряженными затяжками, не имеют отличий от расчета усиленных железобетонных элементов. Расчет узлов сопряжения затяжки с усиливаемым элементом производится на действие усилий в затяжке в предельном состоянии по действующим нормативным документам для стальных конструкций.

1. Назовите основные особенности усиления металлических конструкций.

2. Приведите примеры усиления растянутых стальных элементов увеличением их поперечного сечения.

3. Как, в общем случае, производится усиление сжатых элементов стальных конструкций?

4. Приведите примеры усиления сжатых стальных элементов увеличением их поперечного сечения с уменьшением их гибкости.

5. В чем состоит особенность усиления изгибаемых металлических конструкций?

6. Приведите примеры усиления изгибаемых стальных элементов увеличением их поперечного сечения.

7. Как производится усиление стенок стальных элементов с целью повышения их местной устойчивости?

8. Приведите примеры усиления металлических конструкций за счет уменьшения их расчетной длины.

9. Изложите методику расчета прочности усиленных увеличением поперечного сечения растянутых металлических элементов.

10. Изложите методику расчета прочности усиленных увеличением поперечного сечения сжатых стальных элементов (из условия обеспечения прочности и устойчивости).

11. Изложите методику расчета прочности усиленных увеличением поперечного сечения изгибаемых металлических элементов (по упругой и пластической стадии).

12. Как производится усиление стальных элементов, имеющих повреждения?

13. Назовите методы усиления сварных соединений стальных элементов.

14. Приведите примеры усиления металлических конструкций повышением степени внешней статической неопределимости.

15. Приведите примеры усиления металлических конструкций повышением степени внутренней статической неопределимости.

Тема 16. УСИЛЕНИЕ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ При реконструкции зданий с деревянными конструкциями (в основном междуэтажные перекрытия зданий старой застройки и стропильные крыши) часто возникает необходимость усиления отдельных элементов или конструкции в целом.

Снижение прочности деревянных конструкций связано с неудовлетворительной их эксплуатацией, допускающей увлажнение древесины при отсутствии защиты от гниения и вредителей. На ранней стадии обнаружения дефектов бывает достаточно изменить условия эксплуатации: создать для деревянных конструкций соответствующий температурновлажностный режим (исключение попадания атмосферных и технологических вод, систематическое проветривание и просушка, качественная термо- и пароизоляция) или тщательно обработать древесину антисептиками.

При необходимости восстановления или увеличения прочности (жесткости) деревянных элементов их усиление выполняют заменой части разрушенного элемента, а также увеличением поперечного их сечения.

16.1. Усиление элементов деревянных конструкций Частичная замена древесины в сечении заключается в вырезании дефектного участка, антисептировании древесины в местах усиления и последующей плотной установке новой древесины (рис. 16.1). Совместная работа старой и новой древесины в сечении обеспечивается болтовым, гвоздевым, нагельным соединением или приклеиванием.

Рис. 16.1. Усиление деревянных элементов частичной заменой древесины в сечении:

1 – усиливаемый элемент, 2 – накладки из новой древесины, 3 – болты (гвозди) Для усиления растянутых и изгибаемых деревянных элементов применяется стержневая арматура, которая вклеивается в специально подготовленные продольные пазы. Стальные профили прикрепляются к усиливаемому элементу путем приклеивания или болтового (гвоздевого) соединения. Расчет усиленных элементов производится по их приведенному сечению в предположении совместной работы древесины и арматуры вплоть до разрушения.

Наиболее часто происходит снижение прочности деревянных балок междуэтажных перекрытий в местах их заделки в кирпичные стены. Из-за недостаточной термоизоляции стен и отсутствия проветривания концы балок увлажняются конденсатом, вызывая повышенную деформативность балок, их гниение и снижение прочности.

При большом количестве поврежденных балок с целью экономии металла применяются стержневые накладки, представляющие собой заранее изготовленные стальные фермы из уголков и круглых стержней (рис. 16.2).

Рис. 16.2. Усиление опорных участков стержневыми накладками:

Замена разрушенного концевого участка балок перекрытий производится установкой накладок из досок или брусьев, а также стальных профилей взамен обрезанного конца. Накладки могут устанавливаться сбоку или сверху сечения (рис. 16.3). На время установки накладок под балки подводят временные опоры. Элементы усиления должны быть изолированы от стен прокладками из гидроизоляционного материала. Размеры сечений накладок и соединительных болтов определяются расчетом, деревянные накладки должны быть несколько больше размеров сечения балки.

Рис. 16.3. Усиление опорных участков деревянных балок накладками: а – деревянными со стороны боковых граней, б – деревянной со стороны верхней грани, в – стальными со стороны боковых граней; 1 – усиливаемая балка, 2 – накладки из новой древесины, 3 – болты, 4 – уголок, 5 – хомут, 6 – деревянный вкладыш, 7 – гидроизоляция, 8 –соединительная планка, 9 – стяжной болт, 10 – накладка из швеллера 16.2. Усиление деревянных элементов стропильных крыш В конструкциях стропильных крыш наиболее часто подвержены гниению элементы мауэрлата, соприкасающиеся с кирпичной кладкой, и участки стропильных ног, примыкающие к нему, а также стропила и обрешетка в местах протечек кровельного покрытия.

При перегрузке кровли одним из повреждений стропил могут быть продольные трещины, которые стягивают стальными хомутами на болтах (рис. 16.4).

Рис. 16.4. Усиление деревянных элементов с продольными трещинами:

1 – усиливаемый элемент, 2 – продольная трещина, 3 – стальной хомут Усиление стропил может производиться увеличением поперечного сечения с помощью накладок на наиболее нагруженном участке или установкой шпренгелей (рис. 16.5). При недостаточной прочности стыка стропил с мауэрлатом устраивают дополнительные накладки или затяжки, воспринимающие горизонтальные усилия (рис. 16.6).

При значительных дефектах деревянных конструкций устраивают полную замену элементов междуэтажных перекрытий и стропильной крыши путем установки новых конструкций рядом с поврежденными.

Одним из методов реконструкции стропильной крыши при увеличении на нее нагрузки (например, замена более легкого покрытия на более тяжелое) является увеличение уклона стропил (рис. 16.7).

Рис. 16.5. Усиление деревянных элементов шпренгелем:

Рис. 16.6. Усиление стыка стропил с мауэрлатом: а – с помощью накладок;

б – устройством затяжки, 1 – стальная накладка, 2 – затяжка Рис. 16.7. Увеличение уклона стропил существующей крыши:

1 – существующая стропила, 2 – новая стропила, 3 – дополнительная стойка, 16.3. Защита усиленных деревянных конструкций Усиленные деревянные конструкции и элементы усиления должны быть защищены от гниения, воздействия вредителей и грибов, а также от возгорания. При отсутствии опасности увлажнения, наличии систематической просушки и влажности окружающей среды до 25 % применяется одноразовое антисептирование (водный раствор фтористого натрия, кремнефтористого натрия, хлористого цинка и др.), при более сложных условиях эксплуатации – двухразовое. Деревянные элементы, подлежащие сплошной окраске не антисептируются. Защита деревянных элементов от воздействия огня выполняется огнезащитными составами – антипиренами (бурой, борной кислотой, сульфатом аммония и др.). Дополнительные стальные элементы окрашиваются антикоррозионными составами.

Как производится усиление деревянных элементов частичной заменой древесины?

Приведите примеры усиления опорных участков деревянных балок накладками.

Как производится усиление деревянных элементов с продольными трещинами?

Приведите примеры усиления стыка стропил с мауэрлатом.

5. Как производится усиление стропил существующей крыши увеличением их уклона?

6. Каким образом защищаются усиленные деревянные элементы от гниения, воздействия вредителей и возгорания?

Тема 17. УСИЛЕНИЕ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ Несущая способность системы «основание-фундамент» в зависимости от инженерно-геологических условий, условий реконструкции, особенностей реконструируемого здания, а также технических возможностей строительной организации может быть увеличена за счет усиления основания или фундаментов.

Мероприятия по увеличению прочности и снижению деформативности оснований направлены на изменение физико-механических характеристик грунтов или условий их деформирования.

Упрочнение грунтов производится за счет образования новых структурных связей между частицами грунта в ходе химического закрепления, цементации, битумизации, термообжига, замораживания и т.п. Применение данных методов на практике возможно лишь с использованием соответствующего оборудования и материалов и, как правило, производится специализированными организациями.

Изменение условий деформирования грунта производится путем устройства по контуру фундамента обоймы, армирования основания корневидными сваями (не связанными непосредственно с телом фундамента), системой взаимно пересекающихся гидроразрывов, заполненных раствором (метод геомассива) и т.п.

При необходимости выполняют ремонт фундамента с целью восстановления или увеличения его прочности и долговечности. Ремонт производят путем инъецирования цементными или полимерными растворами, нанесения торкретбетона, устройства бетонной обоймы, оштукатуривания.

Усиление фундаментов связано с устройством дополнительных конструктивных элементов, жестко соединяемых с существующим фундаментом и способных либо разгрузить усиливаемый фундамент, либо воспринимать дополнительные нагрузки.

Усиление фундаментов производится путем увеличения ширины подошвы, глубины заложения или при помощи свай.

17.2. Усиление фундаментов уширением подошвы Усиление фундаментов путем уширения подошвы предполагает увеличение опорной площади существующего фундамента за счет присоединения к его боковым граням дополнительных железобетонных или бетонных элементов. При уширении подошвы происходит перераспределение нагрузки на большей поверхности основания, что дает возможность повысить нагрузку на фундамент, снизить осадку, уменьшить вероятность потери несущей способности основания. Уширение подошвы также применяется для выравнивания эпюры контактных давлений, стабилизации крена фундамента.

Не рекомендуется производить увеличение площади подошвы фундамента на слабых, структурно-неустойчивых и водонасыщенных грунтах, а также при высоком уровне грунтовых вод.

Уширение подошвы фундамента осуществляют: при одно- и двухстороннем уширении – наращиванием, с трех и четырех сторон фундамента – при помощи железобетонных рубашек или обойм.

Наращивание для усиления ленточных фундаментов представляет собой железобетонные или бетонные, сборные (банкеты) или монолитные элементы, примыкающие к боковой грани фундамента. Наращивание устраивают вдоль всей длины фундамента либо под наиболее загруженными участками. Ширина подошвы наращивания принимается не менее 200 мм, отношение ширины наращивания к высоте не менее 1/5.

Обойма представляет собой конструктивный элемент усиления фундамента в виде монолитной железобетонной оболочки, охватывающей фундамент с четырех сторон. Применяется при усилении столбчатых фундаментов.

Совместная работа элементов уширения подошвы с усиливаемым фундаментом обеспечивается:

устройством бетонных шпонок, выступов в углублениях существующего фундамента или несущих конструкций здания;

устройством анкеров, заделанных в теле существующего фундамента;

устройством сквозной арматуры;

сваркой арматуры элементов уширения с оголенной арматурой усиливаемого фундамента;

при помощи специальных опорных элементов: подкосов, разгружающих металлических или железобетонных балок.

Для обеспечения прочного сцепления между новым и старым бетоном поверхность существующего фундамента очищают от грунта, старой гидроизоляции, химических веществ, а также от рыхлого раствора, бетона, промывают и просушивают, выполняют насечку поверхности контакта.

Устройство наращивания с выступами, заходящими в горизонтально пробитые штрабы стены (рис. 17.1, а), рекомендуется применять при толщине стен не менее 510 мм и при удовлетворительном их состоянии. Выступы наращивания заходят в стену на глубину не менее 120 мм. Допускается вдоль стены выступы делать прерывистыми. Длина одного выступа должна быть не менее 500 мм, разрыва – не более 500 мм.

Рис. 17.1. Уширение подошвы ленточного фундамента наращиванием с выступами:

а – с применением анкеров, б – заведением под подошву фундамента, в – с применением сквозных анкеров, г – с одновременным инъецированием фундамента:

1 – существующий фундамент, 2 – наращивание с выступами, 3 – анкеры, Усиление ленточного фундамента может производиться железобетонным наращиванием с выступами в двух уровнях, (рис. 17.1, б). Выступы нижнего уровня подводят под частично разобранную подошву фундамента.

Такое конструктивное решение применяют при низкой прочности материала фундамента, наличии значительных дефектов и повреждений.

Для обеспечения совместной работы усиливаемого фундамента и элементов усиления применяют арматурные стержни, устанавливаемые в сквозные отверстия в теле фундамента и стен (сквозные анкеры) (рис. 17.1, в), анкеры или дюбели из стержневой арматуры диаметром 12…20 мм. Анкеры заделывают в фундаменте цементным раствором на глубину не менее 150 мм.

Дюбели с закаленным острым концом забивают в швы между камнями кладки на глубину не менее 100 мм.

Одновременно вместе с усилением фундамента может производиться его инъецирование. В этом случае вместо анкеров в отверстия, пробитые на глубину не менее 1/2 ширины фундамента, устанавливают инъекционные трубки (рис. 17.1, г), которые выводят за пределы опалубки. Инъецирование производят после схватывания бетона наращивания.

При усилении фундаментов уширением, основание дополнительных элементов должно быть подготовлено путем втрамбовывания щебня или гравия на глубину 50…60 мм. При наличии в основании слабофильтрующих водонасыщенных грунтов предусматривают песчано-гравийную подготовку толщиной не менее 100 мм.

Дополнительные элементы устраиваются из тяжелого бетона класса не ниже условного класса бетона усиливаемого фундамента и не ниже рекомендуемого [8] в зависимости от условий эксплуатации.

Для усиления столбчатого фундамента может применяться железобетонная обойма, подводимая под элементы перекрытия подвала (рис. 17.2, а).

Рис. 17.2. Уширение подошвы столбчатого фундамента железобетонными обоймами:

а – с упором в элемент перекрытия подвала; б – с приваркой к арматуре фундамента:

1 – существующий фундамент; 2 – обойма; 3 – подготовка Совместная работа железобетонной обоймы с усиливаемым фундаментом обеспечивается путем приварки арматуры обоймы к частично оголенной арматуре фундамента (рис. 17.2, б). Верхняя грань обоймы выводится выше обреза фундамента не менее чем на ширину сечения столба и не менее чем на 5, где – толщина слоя обоймы, примыкающего к столбу. Кроме того, грани столба делаются шероховатыми путем насечки поверхности.

Примыкание обоймы к столбчатому фундаменту может производиться путем объединения в единый пространственный каркас арматуры обоймы с оголенной арматурой подошвы фундамента и подколонной его части (рис. 17.3). При этом арматура подколонной части оголяется по углам фундамента.

Рис. 17.3. Уширение подошвы фундамента под колонну: 1 – существующий фундамент;

2 – наращивание части фундамента; 3 – щебеночно-песчаная подготовка; 4 – сварка Обеспечение совместной работы при усилении ленточных фундаментов наращиванием может быть выполнено с помощью продольных металлических балок (рис. 17.4, а). Такой способ обеспечения совместной работы рекомендуется использовать при отсутствии значительных поверхностных разрушений. Стальные балки в виде швеллеров стягивают болтами, установленными с шагом 500…750 мм. К полкам балок крепят плоские металлические зубья шириной не менее 50 мм, толщиной 10 мм, с шагом 250 мм. Зубья заводят в предварительно очищенные от раствора швы кладки. Глубина заделки зуба в стене принимается в зависимости от состояния кладки и должна быть не менее 30 мм.

Одностороннее наращивание с упорными элементами в виде подкосов (рис. 17.4, б) применяют для усиления ленточных фундаментов кирпичных стен толщиной не менее 250 мм при значительном увеличении нагрузки на фундамент, изменении эксцентриситета приложения нагрузки, выправлении кренов. Стальные подкосы устанавливают в заранее подготовленных углублениях с шагом 1,5…2 м. Глубина заделки подкосов принимается не менее 120 мм.

Рис. 17.4. Уширение подошвы ленточного фундамента: а – двухсторонним наращиванием с опорными элементами в виде продольных балок; б – односторонним наращиванием с подкосами: 1 – существующий фундамент; 2 – наращивание;

3 – продольные металлические балки; 4 – подготовка, 5 – стяжной болт;

6 – плоские металлические зубья; 7 – анкер, 8 – стальной подкос; 9 – бетон Наращивание с обеспечением совместной работы с существующим фундаментом при помощи поперечных балок (рис. 17.5) применяют в случае значительного увеличения опорной площади (более 400 мм с каждой стороны). Балки изготавливают из прокатных профилей, площадь поперечного сечения которого определяется расчетом.

Опорные балки устанавливают с тем же шагом, что и подкосы при одностороннем наращивании, и замоноличивают мелкозернистым бетоном.

В случае если вылет свободной части наращивания превышает 0,9h (где h – высота наращивания), в уровне подошвы фундамента устанавливают поперечную арматуру, заанкеренную в фундаменте. Если шаг балок в продольном направлении превышает 2h, то наращивание армируется в продольном направлении в верхней зоне.

При усилении столбчатых фундаментов под кирпичные столбы поперечные балки устанавливают в горизонтальных штрабах и стягивают болтами. Балки выполняют перекрестными из двух пар швеллеров, сваренных между собой. При устройстве элементов уширения ослабленную зону кирпичных столбов омоноличивают на высоту не менее 250 мм от края ослабления.

Рис. 17.5. Двухстороннее уширение с поперечными балками: 1 – существующий фундамент; 2 – наращивание, 3 – стальная балка; 4 – подготовка; 5 – мелкозернистый бетон, 6 – поперечная арматура, заанкеренная в теле фундамента, 7 – продольная арматура Крепление поперечной балки к железобетонной колонне выполняют путем ее приварки к оголенной арматуре колонны (рис. 17.6), аналогично опорным хомутам (см. тему 12). Наращиваемые части фундамента при бетонировании выводят выше ослабленной зоны колонны не менее чем на величину, равную большей стороне поперечного сечения колонны.

Рис. 17.6. Уширение подошвы столбчатого фундамента с применением поперечных балок: 1 – арматура колонны; 2 – элементы уширения;

3 – опорные балки из швеллеров; 4 – коротыши; 5 – подготовка При усилении ленточных фундаментов в качестве поперечных балок могут использоваться железобетонные балки. Ширина балки назначается не менее 200 мм, высота в зоне заделки балки в стене не менее 300 мм.

По длине ленточного фундамента наращивание может быть выполнено переменного сечения (рис. 17.7). В этом случае подошва наращивания дополнительно армируется сварными сетками.

Рис. 17.7. Уширение фундамента с применением поперечных железобетонных балок:

а – поперечный разрез; б – вид сбоку: 1 – существующий фундамент;

2 – элементы уширения; 3 – железобетонная балка; 4 – подготовка 17.3. Усиление фундаментов уширением подошвы Уширение фундаментов сборными элементами (банкетами) выполняют с предварительным обжатием грунта под подошвой наращиваемых частей фундамента. Предварительное обжатие грунтов позволяет наиболее полно использовать прочностные свойства основания, включить в работу дополнительные элементы сразу после проведения усиления. При предварительном обжатии выбираются деформации, связанные с деформациями опорных балок, обжатием контактного слоя грунта.

Усилие предварительного обжатия создают гидравлическими домкратами, упирающимися в поперечные балки, или при помощи клиньев.

Усилие предварительного обжатия также может создаваться путем поворота сборного элемента уширения вокруг его нижней грани.

Клинья рекомендуется применять для предварительного обжатия слабо сжимаемых грунтов, модуль деформации которых превышает 15 МПа. Угол наклона клина принимается не более 10°.

Расклинивание производится при помощи домкратов или специальных струбцин. По окончании обжатия грунтов клинья сваривают между собой и производят заполнение зазора между фундаментом и элементами уширения мелкозернистым бетоном (рис. 17.8).

Рис. 17.8. Уширение подошвы фундамента железобетонными банкетами с предварительным обжатием грунта: 1 – существующий фундамент, 2 – банкеты до обжатия, 3 – банкеты после обжатия, 4 – клинья, 5 – опорная балка, Гидравлические домкраты применяют для обжатия песчаных, а также неводонасыщенных ( Sr 0,8 ) пылевато-глинистых сильно сжимаемых грунтов.

Домкраты устанавливают либо непосредственно между элементом уширения и поперечной балкой, либо с применением специальных упоров (рис. 17.9). Давление обжатия контролируют по манометру, включенному в гидравлическую цепь домкрата.

При использовании других силовых приспособлений момент достижения требуемого давления обжатия может быть определен по величине осадки блока, обжимающего грунт где S p – величина контрольной осадки наращиваемых частей; p – требуемое давление обжатия; bad – ширина подошвы наращиваемого блока; E – осредненный модуль деформации в пределах глубины b/2 сжимаемой толщи.

Обжатие грунтов производят одновременно с двух сторон фундамента. После достижения требуемого усилия обжатия банкеты фиксируют при помощи металлических вставок, соединяемых сваркой к опорной балке. Зазоры между банкетами и фундаментом заполняют мелкозернистым бетоном.

Рис. 17.9. Уширение подошвы фундамента с предварительным обжатием грунтов гидравлическими домкратами: 1 – существующий фундамент, 2 – банкеты, 3 – опорная балка, 4 – домкрат, 5 – мелкозернистый бетон замоноличивания, 6 – щебеночно-песчаная подготовка, 7 – инвентарный упор, 8 – штамп При уширении железобетонными сборными элементами, обжимающими грунты основания при их повороте, домкраты устанавливают горизонтально и упирают непосредственно в фундамент либо в стену здания (рис. 17.10). В нижней части сборные элементы связаны анкерным стержнем, пропущенным через существующий фундамент. Количество анкеров принимается не менее двух на один сборный элемент. Элементы уширения разводят домкратами в стороны от фундамента, при этом по подошве блока развивается давление обжатия. Поворот банкет рекомендуется производить одновременно с двух сторон фундамента. При повороте контролируют величину отклонения верхнего ребра сборного элемента от фундамента. После достижения значения, соответствующего положению, при котором среднее давление под сборным элементом равно среднему давлению под подошвой усиливаемого фундамента, зазор между сборными элементами и фундаментом надежно расклинивают и заполняют бетоном.

Для обжатия грунтов оснований могут использоваться плоские гидравлические домкраты. Домкраты изготавливаются из двух тонких стальных листов толщиной 1…3 мм, соединенных между собой контурным валиком диаметром 20…80 мм (рис. 17.11).

Рис. 17.10. Уширение подошвы фундамента с предварительным обжатием грунтов за счет их поворота вокруг нижнего ребра сборного элемента: а – стадия обжатия;

б – схема усилий: 1 – существующий фундамент; 2 – сборные элементы; 3 – домкраты;

4 – мелкозернистый бетон; 5 – анкерный стержень; 6 – щебеночно-песчаная подготовка Рис. 17.11. Предварительное обжатие грунтов плоскими домкратами:

1 – существующий фундамент; 2 – наращивание; 3 – плоские домкраты;

Установку домкратов производят на уплотненную щебеночнопесчаную подготовку до бетонирования элементов уширения. После набора бетоном прочности не ниже 75 % проектной в полость домкрата нагнетают под давлением твердеющие растворы (эпоксидные смолы, цементный раствор). Давление обжатия контролируют по манометру, установленному на устройстве нагнетания твердеющего раствора.

Расчет основания фундаментов, усиленных уширением подошвы, производится по второй группе предельных состояний (по деформациям основания). Расчет осадок основания методами, предусматривающими ограничение давления по подошве фундамента расчетным сопротивлением, производится с учетом:

частичной разгрузки фундамента в ходе реконструкции;

неравномерной эпюры контактных давлений под подошвами старой и новой частей фундамента.

Значение эпюры контактных напряжений под подошвой усиленного фундамента определяют от полной нагрузки, ожидаемой после реконструкции, с учетом начального давления под старой частью фундамента, действующего в период реконструкции.

Допускается значения контактных давлений определять суммированием эпюры начального давления фундамента до уширения и эпюры давлений от дополнительной нагрузки на основание после уширения, построенной в предположении о линейном характере ее изменения. Дополнительная нагрузка в этом случае определяется по фактическим прочностным свойствам грунта. При этом учитывают:

изменение свойств грунта основания, обжатого длительно действующей нагрузкой в период эксплуатации здания (повышающим коэффициентом K R к расчетному сопротивлению R );

увеличение расчетного сопротивления под подошвой усиливаемого фундамента за счет боковой пригрузки от уширяемых элементов, изменяющих условия деформирования грунта основания под усиливаемым фундаментом.

Учет благоприятного влияния боковой пригрузки от дополнительных элементов на величину расчетного сопротивления основания усиливаемого фундамента производят путем введения повышающего коэффициента K q к расчетному сопротивлению грунта в подошве с учетом его длительного обжатия Rt Коэффициент K q принимается по табл. 17.1 в зависимости от свойств грунта и соотношения ширины дополнительных элементов bad к ширине усиливаемого фундамента b.

Ширина дополни- Для песков (кроме рыхлых) и пылевато-глинистых грунтов тельных частей, при коэффициенте пористости e и консистенции I L Примечания:

1. Промежуточные значения принимаются по интерполяции.

2. Коэффициент K q = 1, если уширение производится с одной стороны ленточного фундамента или с трех и менее сторон столбчатого фундамента.

Давление под подошвой реконструируемого фундамента ограничивается условиями:

среднее давление под подошвой дополнительных частей фундамента должно быть меньше расчетного сопротивления грунта в естественном состоянии максимальное краевое давление под подошвой дополнительных частей фундамента должно быть меньше 1,2R среднее давление под подошвой усиливаемого фундамента после реконструкции должно быть меньше расчетного сопротивления максимальное давление под подошвой усиливаемого фундамента должно быть не более 1, 2 Rtq Площадь наращиваемых частей фундамента Aad определяется из выражения где N enl – расчетная нагрузка на фундамент после реконструкции с учетом собственного веса и грунта на его обрезах (среднее взвешенное значение удельного веса фундамента и грунта на его обрезах допускается принимать mt = 20кН/м3 ); N r – расчетная нагрузка на фундамент в период реконструкции с учетом собственного веса и грунта на его обрезах; Rtq – расчетное сопротивление грунта под подошвой усиливаемого фундамента;

A – площадь подошвы фундамента до усиления.

Площадь дополнительных частей фундамента, устраиваемых с предварительным обжатием грунтов, определяется из условия, что при обжатии происходит выравнивание давления под подошвами старой и новой частей фундамента:

где Rred – приведенное расчетное сопротивление грунта под подошвой усиленного фундамента Давление обжатия, при котором происходит выравнивание контактных давлений под подошвами старой и новой частей фундамента, равно Увеличение глубины заложения с подводкой нового фундамента применяется при недостаточной несущей способности и высокой деформативности верхних слоев основания, а также при возможности промерзания грунтов под подошвой фундамента.

Подводка новых фундаментов (рис. 17.12) осуществляется захватками шириной 2…2,5 м. Предварительно несущие конструкции вывешивают на металлических балках либо на распорках, рассчитанных на усилия, возникающие от действия нагрузок в период реконструкции. Балки и распорки опирают на бетонные или деревянные подставки (тумбы).

Рис. 17.12. Увеличение глубины заложения с подводкой нового фундамента:

1 – новый монолитный фундамент; 2 – опорная поперечная балка;

3 – продольная металлическая балка; 4 – распорки; 5 – гидроизоляция стен;

Производство работ по откопке траншей для замены фундамента разрешается производить лишь после крепления стенок выемок инвентарным ограждением. Ограждение стенок траншей раскрепляют одноразовыми распорками, омоноличиваемыми вместе с устройством нового фундамента, горизонтальными растяжками, заанкериваемыми за пределами призмы обрушения откоса, защемлением в нижележащей толще грунта (шпунтовая стенка).

Ограждения должны быть рассчитаны на активное давление со стороны грунта с учетом пригрузки бровки траншеи опорными элементами временных креплений стены.

Включение нового фундамента в совместную работу с несущей стеной производится путем подклинивания, инъецирования раствором, зачеканкой жесткой бетонной смесью. Для этого верх фундамента при бетонировании не доводят до нижней грани стены на 100…150 мм при подклинивании, 10…120 мм при зачеканке бетонной смесью и 30…50 мм при инъецировании раствором.

Расклинивание производится после того, как бетон фундамента наберет не менее 50 % проектной прочности. По длине фундамента клинья располагают на расстоянии 0,5…0,7 м друг от друга. Для предохранения гидроизоляции, устраиваемой между фундаментом и стеной, от разрывов или смещения нижний клин опирается в металлическую подкладку с уголком, удерживающим ее от перемещений при раскалывании. По окончании расклинивания клинья сваривают друг с другом, щель между стеной и фундаментом заполняется жесткой бетонной смесью класса не менее класса бетона фундамента.

При увеличении глубины заложения и подводке нового фундамента под колонну применяют стальные подкосы (рис. 17.13). Для упора подкосов на колонне устраивают железобетонный хомут. В нижней части подкосы связывают между собой стальными тяжами, при натяжении которых подкосы включаются в работу.

Рис. 17.13. Заглубление фундамента под колонну:1 – монолитный фундамент, 2 – опорный хомут, 3 – подкосы, 4 – затяжка, 5 – сварные стыки арматуры Сопряжение колонны и нового фундамента выполняют путем приварки арматуры фундамента к оголенной арматуре колонны.

17.6. Усиление фундаментов при помощи свай Усиление фундаментов при помощи свай производится за счет устройства дополнительных свайных фундаментов, опирающихся на более прочные подстилающие слои грунта и позволяет значительно повысить его несущую способность основания и снизить деформативность.

При усилении фундаментов реконструируемых зданий, как правило, используются:

вдавливаемые многосекционные сваи;

буронабивные сваи;

буроинъекционные.

Многосекционные сваи выполняются из сборных железобетонных или сталежелезобетонных элементов, соединяемых по мере погружения свай в грунт. Для погружения многосекционных свай не требуется громоздкого оборудования. Вдавливание свай производят при помощи гидравлических домкратов, упираемых в выше расположенные конструкции реконструируемого здания.

Буронабивные сваи различных типов обладают высокой несущей способностью и могут применяться в любых грунтовых условиях. Из-за громоздкости оборудования, применяемого при устройстве буронабивных свай, область их применения ограничена. Буронабивные сваи применяются при усилении фундаментов по внешнему периметру реконструируемого здания, могут устраиваться под наклоном к оси фундамента. Угол отклонения свай от вертикали не должен превышать 30°.

Буроинъекционные сваи также применяются в любых грунтовых условиях, позволяют проводить работы в стесненных условиях. Рекомендуется использовать при увеличении как вертикальных, так и горизонтальных нагрузок на фундамент, для стабилизации неравномерных складок.

При обеспечении совместной работы свай усиления с усиливаемым фундаментом возможны случаи:

устройство свай за контуром подошвы фундамента, устройство свай непосредственно под фундаментом.

Устройство свай за контуром фундамента требует дополнительных конструктивных элементов, передающих нагрузку с усиливаемого фундамента на сваи.

В качестве конструктивных элементов используются:

поперечные балки;

монолитные ростверки, заделываемые в тело усиливаемого фундамента;

ростверки, подводимые под существующий фундамент.

Усиление сваями с применением поперечных металлических и железобетонных балок (рис. 17.14), подводимых под несущие конструкции здания у поверхности земли, применяют при высоком уровне грунтовых вод.

Опирание балок производится через монолитный железобетонный ростверк, объединяющий сваи по боковым сторонам ленточного фундамента или по периметру столбчатого фундамента.

Рис. 17.14. Усиление фундаментов сваями с применением стальных и железобетонных поперечных балок: а – ленточного фундамента; б – столбчатого фундамента;

в – усиление многосекционными сваями: г – с применением железобетонной балки:

1 – существующий фундамент; 2 – сваи усиления; 3 – железобетонный ростверк;

4 – стальная балка; 5 – железобетонная балка; 6 – домкраты При неудовлетворительном состоянии кирпичных стен, низкой прочности кирпичной кладки нижняя часть стены может быть усилена продольными металлическими балками, устанавливаемыми с двух сторон в горизонтальных штрабах.

Метод усиления сваями с монолитным ростверком и обеспечением его совместной работы с усиливаемым фундаментом за счет железобетонных шпонок (рис. 17.15) применяют при удовлетворительном состоянии фундамента. Размеры углублений в фундаменте подбираются таким образом, чтобы усилие от ростверка передавалось на фундамент по перевязанному шву.

Рис. 17.15. Усиление фундаментов сваями с монолитным ростверком:

а – заходящим в углубление фундамента, б – то же в углубление стен, в – то же в углубление фундамента и сваркой рабочей арматуры фундамента и ростверка:

1 – существующий фундамент, 2 – сваи усиления, 3 – монолитный железобетонный ростверк Монолитные ростверки армируют сетками, поперечные стержни которых пропускают через тело фундамента. Диаметр поперечных стержней определяется расчетом и принимается не менее 12 мм. Шаг поперечных стержней – не более 500 мм.

Включение в работу свай при помощи ростверков, подводимых под существующий фундамент, производится при усилении свайных фундаментов (рис. 17.16, а, б). При устройстве нового ростверка вынимают грунт из-под подошвы усиливаемого фундамента и оголяют верхнюю часть существующих свай.

При усилении столбчатого фундамента сваями с монолитным ростверком совместная работа обеспечивается за счет соединения арматуры ростверка и оголенной арматуры фундамента (рис. 17.16, в).

Рис. 17.16. Усиление фундаментов сваями: а – с подводкой нового ростверка под ленточный фундамент; б – то же под столбчатый фундамент; в – наклонными сваями; г – сваями с одной стороны: 1 – существующий фундамент, 2 – сваи усиления, 3 – монолитный ростверк, 4 – существующие сваи, В стесненных условиях реконструкции при невозможности устройства свай с двух сторон фундамента применяют консольные металлические балки, опирающиеся на пару свай, одна из которых работает на выдергивание (рис. 17.16, г). В качестве свай, работающих на выдергивание, рекомендуется применять винтовые и буронабивные сваи с уширением пяты. Сваи, воспринимающие вдавливающую нагрузку, выполняют буронабивными.

Нижняя часть стены усиливается продольными балками, заведенными в горизонтальные штрабы стены. Шаг консольных балок определяется расчетом и принимается не менее трех диаметров свай и не более 3 м.

Сваи под подошвой столбчатого железобетонного фундамента могут устраиваться через выполненные в нижней ступени отверстия (рис. 17.17, а).

Для усиления могут применяться буроинъекционные, многосекционные трубобетонные и буронабивные сваи. Диаметр свай принимается не более 200 мм при вылете ступени 300 мм и не более 300 мм при вылете ступени 450 мм.

Рис. 17.17. Усиление фундамента сваями: а – устраиваемыми под подошвой столбчатого фундамента; б – наклонными буроинъекционными:

1 – существующий фундамент; 2 – сваи усиления; 3 – арматура сваи; 4 – сварка Сваи под подошвой ленточного или столбчатого фундамента, материал которого характеризуется низкой прочностью, устраивают непосредственно с поверхности строительной площадки через отверстия, пробитые в фундаменте под углом к его вертикальной оси (рис. 17.17, б).

Для усиления применяют буроинъекционные сваи диаметром 80…250 мм. Отверстия в фундаменте и скважины для свай выполняют при помощи малогабаритных станков вращательного бурения, оснащенных шарошечным долотом, шнеками. Заполнение скважин производится цементно-песчаным раствором, нагнетаемым под давлением.

Одновременно с устройством буроинъекционных свай может производиться укрепительная цементация фундамента. Для этого устраивают в пределах фундамента скважину, не доводя до его подошвы на 0,5 м, и нагнетают в основание под давлением 0,1…0,2 МПа цементный раствор, цементируя зону контакта с подошвой фундамента.

1. Назовите наиболее распространенные методы упрочнения грунтов.

2. Какими способами производится усиление оснований изменением условий деформирования грунта?

3. Какими методами, в общем случае, производится усиление фундаментов?

4. Какими мероприятиями обеспечивается совместная работа элементов уширения подошвы с усиливаемым фундаментом?

5. Приведите примеры усиления ленточных фундаментов уширением подошвы.

6. Приведите примеры усиления столбчатых фундаментов уширением подошвы.

7. Как производится уширение подошвы железобетонного фундамента под колонну?

8. Какова конструкция одностороннего уширения подошвы ленточного фундамента?

9. Для чего при уширении подошвы фундамента применяются поперечные балки и какова их конструкция?

10. С какой целью при уширении подошвы фундамента выполняется предварительное обжатие грунта под ней?

11. Приведите примеры уширения подошвы фундамента с предварительным обжатием грунтов.

12. В каких случаях применяется увеличение глубины заложения фундамента?

13. Как производится увеличение глубины заложения подошвы ленточного фундамента?

14. Как производится увеличение глубины заложения подошвы столбчатого фундамента?

15. Изложите принципы расчета фундамента с уширением подошвы.

16. В каких случаях для усиления фундаментов используют сваи?

17. Какие типы свай рекомендуется использовать при усилении фундаментов?

18. Приведите примеры усиления ленточных фундаментов с применением свай.

19. Приведите примеры усиления столбчатых фундаментов с применением свай.

20. Приведите примеры усиления фундаментов с применением буроинъекционных свай.

РУКОВОДСТВО

К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ

ВВЕДЕНИЕ

Изучение второй части курса «Проектирование и реконструкция зданий и сооружений» сопровождается решением задач. Данное руководство предназначено для оказания помощи на практических занятиях и для самостоятельной подготовки к контрольным работам.

В настоящем руководстве рассмотрены практические задачи, связанные с оценкой фактического технического состояния строительных конструкций и проектирования их усиления.

При решении задач целесообразно использовать интегрированную систему MathCAD, позволяющую просто и эффективно реализовать алгоритмы расчетов. Для приобретения устойчивых навыков решения задач по второй части курса необходимо самостоятельно решить все задачи настоящего руководства. При решении задач допускается использовать действующие нормативные документы (СНиП) для железобетонных, каменных, металлических и деревянных конструкций, а также по основаниям фундаментов.