Проектирование усиления железобетонных и каменных конструкций

Лекция 3.

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

Проектирование усиления железобетонных и каменных конструкций.

            Проектирование усиления железобетонных и каменных конструкций заключается в следующем:

- определение величин действующих или предполагаемых нагрузок;

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

- вычисление недостающей доли несущей способности;

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

            - обеспечение ожидаемого эффекта в течение заданного периода;

Рекомендуемые материалы

- возможность реализации;

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

- минимальная материалоемкость и т.п;

- расчет и конструирование элементов усиления;

- оформление проектной документации.

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

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

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

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

                                                                                                                                                                                                                     Таблица 1.

            Схемы усиления

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

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

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

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

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

            Исходные данные

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

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

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

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

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

- характеристики материалов и изделий, применяемых для усиления.

            Рекомендуемые классы арматуры и материалы

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

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

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

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

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

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

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

            Конструктивные требования.

            1. Антикоррозионная защита металла раствором или окрасочными составами

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

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

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

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

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

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

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

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

Контрольные вопросы по материалам лекции №3