Усиление железобетонных конструкций достаточно сложная инженерная задача, при решении которой нередко используются как широко известные, так и не традиционные методы.
Следует отметить, что причин усиления конструкций много: ошибки проектирования, дефекты изготовления и монтажа, износ конструкций в результате неудовлетворительной эксплуатации, увеличение нагрузки при реконструкции здания, неравномерные осадки фундаментов и т.п. В каждом отдельном случае необходимо разработать такую конструкцию усиления, которая бы отвечала требованиям прочности, долговечности и эстетического восприятия.
Различается несколько принципиально отличных способов усиления железобетонных конструкций, классификация которых представлена на рис. 3.1. Повышение прочности конструкций в рассмотренных случаях обычно достигается двумя путями: во-первых, за счет передачи всей полезной нагрузки или ее части на конструкцию усиления; во-вторых, за счет увеличения несущей способности существующей конструкции. Оба пути, которые основательно будут рассмотрены ниже, в той или иной степени используются и при реконструкции зданий.
Междуэтажные перекрытия выполняют важную роль в обеспечении пространственной жесткости здания, являясь горизонтальными диафрагмами. Поэтому при разработке конструкции усиления необходимо обеспечивать не только прочность, но и жесткость перекрытия.
Применяется несколько способов усиления монолитных и сборных плит перекрытий. Рассмотрим некоторые из них.
Способ наращивания плиты перекрытия состоит в нанесении на ее поверхность нового слоя армированного бетона, класс которого, как правило, назначается на одну ступень выше класса бетона плиты. Для обеспечения хорошего сцепления нового бетона со старым поверхность перекрытия очищается от инородных включений и промывается водой, после чего делается насечка зубилом на глубину 0,5 - 1 см. Если же бетон плиты был подвержен значительной
67
коррозии или пропитан техническими маслами, то необходимо обеспечить шпоночное соединение между его новым и старым слоями. Для этого в перекрытии пробиваются сквозные отверстия размерами 8 × 8 см и шагом 50 - 80 см. В отверстия вставляются V-образные стержни шпоночного усиления ø6 - 8 мм. Образуемые после бетонирования железобетонные шпонки воспринимают касательные усилия между новой и старой плитами при изгибе, обеспечивая их совместную работу. Возможны и другие способы шпоночного соединения плит. Эскиз усиления плит наращиванием представлен на рис. в табл. 3.1.
Рис. 3.1. Методы увеличения несущей способности железобетонных конструкций
68
Расчет несущей способности усиленной плиты производится по формулам [38], где принимается во внимание изменившаяся полезная высота сечения и количество рабочей арматуры.
Таблица 3.1
Способы усиления плит
| № |
Способ усиления |
Элемент усиления |
| п/п |
Эскиз усиления |
№ поз. |
Общие сведения |
| 1 |
Бесшпоночное наращивание
 |
1 |
Бетон кл.В15...В25 |
| 2 |
Арматурная сетка ø4... 16, шаг 100...200 |
| 2 |
Наращивание с железобетонными шпонками
 |
1 |
Бетон кл.В15...В25 |
| 2 |
Арматурная сетка ø6... 16, шаг 100...250 |
| 3 |
V-образный стержень ø8... 12 |
| 3 |
Наращивание со стальными
 |
1 |
Бетонкл.В15...В20 |
| 2 |
Арматурная сетка ø6...16, шаг 100...250 |
| 3 |
Стержень ø8... 12 |
| 4 |
Подращивание с приваркой рабочих стержней усиления
 |
1 |
Бетонкл.В15...В25 |
| 2 |
Арматурная сетка ø8...16, |
| 3 |
Стальная пластина δ = 8...12 |
69
Способ подращивания заключается в нанесении на потолочную поверхность плиты слоя бетона, армированного сеткой. Усиление, эскиз которого представлен в табл. 3.1, п. 4, производится в следующей последовательности: у опор, на потолочной поверхности плиты, обнажается рабочая арматура, к которой привариваются стальные пластины (коротыши).
Стержни усиления сначала одним концом привариваются к пластинам и нагреваются до требуемой температуры током высокой частоты, а затем другим. После остывания стержни оказываются в напряженном состоянии.
Распределительная арматура сетки с помощью вязальной проволоки прикрепляется к рабочим стержням.
После усиления потолочная поверхность плиты оштукатуривается или покрывается торкретбетоном.
Рассмотрим проектирование усиления на примерах.
Пример 3.1. Требуется рассчитать температуру нагрева стержней, выполненных из арматуры класса A-IV при Rsn = 590 МПа, Es = 1,9 · 105 МПа и используемых для усиления плиты перекрытия длиной l = 6 м. Температурный коэффициент расширения стали α = 120 · 10-7.
Решение
Находим требуемое удлинение стержня по формуле
| Δl = |
0,9 · Rsn |
· l · 103 = |
0,9 · 590 |
· 6 · 103 = 16,77 мм. |
| Es |
1,9 · 105 |
Определяем температуру нагрева стержня:
| Δt = |
Δl |
= |
16,77 · 107 |
= 233°C. |
| αtl · 103 |
120 · 6 · 103 |
Пример 3.2. Определить несущую способность плиты, усиленной наращиванием, и оценить эффективность усиления.
Параметры плиты до усиления: бетон класса В15; Rв = 8,5 МПа; рабочая арматура сетки класса АII; Rs = 280 МПа; As = 7,85 см2 (10ø10АП); полезная высота сечения h0 = 0,05 м.
Параметры усиленной плиты: бетон в сжатой зоне класса В20; Rв = 11,5 МПа; полезная высота сечения h01 = 0,11 м.
Решение
Выделяем в плане плиты условную полосу шириной b = 1 м и рассматриваем ее расчетную схему, представленную на рис. 3.2.
70
Из схемы видно, что при наращивании "новый" бетон оказывается в сжатой зоне сечения, следовательно, эффективность усиления будет тем заметнее, чем выше класс бетона и его толщина.
Рис. 3.2. Расчетная схема плиты:
а - расчетное сечение плиты до усиления; б - то же, усиленной плиты
Определяем несущую способность плиты до усиления: устанавливаем характеристики сечений
| x = |
Rs · As |
= |
280 · 7,85 · 10-4 |
= 0,025 м; |
| Rb · b |
8,5 · 1 |
| ξ = |
x |
= |
0,25 |
= 0,5; ξ < ξr(0,5 < 0,68); |
| h0 |
0,05 |
вычисляем, используя значение 4 (прил. 5),
α0 = 0,375;
находим изгибающий момент, воспринимаемый нормальным сечением плиты:
M = α0 · Rb · γb2 · h02 = 0,375 · 8,5 · 103 · 0,9 · 1 · 0,052 = 7,17 кНм,
где γb2 - коэффициент условий работы (γb2 = 0,9).
71
Расчетная нагрузка, воспринимаемая сечением,
| g = |
8M |
= |
8 · 7,17 |
= 6,37 кH/м. |
| l |
32 |
Определяем несущую способность усиленной плиты:
| x1 = |
280 · 7,5 · 10-4 |
= 0,019 м; |
| 11,5 · 1 |
| ξ = |
0,019 |
= 0,173; α0 = 0,158; |
| 0,11 |
M1= 0,158 · 11,5 · 103 · 0,9 · 1 · 0,112 = 19,8 кH · м;
| q = |
8 · 19,8 |
= 17,6 кH/м. |
| 32 |
Увеличение полезной нагрузки за счет наращивания плиты составляет 17,6 - 6,37 = 11,23 кН/м.
Пример 3.3. Определить несущую способность плиты, усиленной подращиванием, и оценить эффективность усиления.
Параметры плиты до усиления и расчетную схему принимаем по данным примера 3.2.
Параметры усиленной плиты: рабочая арматура класса A-IV; Rs = 510 МПа; As1 = 7,92см2 (7Ф12АIV); As2 = 7,85см2 (10Ф10АII); полезная высота сечения h0 = 0,065 м (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Расчетное сечение усиленной плиты
72
Решение
Определяем параметры сечения усиленной плиты:
| x = |
(Rs1 + Rs2)As |
= |
(280 + 510) · 15,77 · 10-4 |
= 0,073 м; |
| 2Rbb |
2 · 8,5 · 1 |
| ξ = |
0,073 |
= 1,12; ξR = 0,64. |
| 0,065 |
Сечение переармированно, так как ξ > ξR.
Принимаем
ξ > ξR = 0,64.
Согласно данным прил. 5
α0 = 0,435.
Тогда
М = 0,435 · 8,5 · 103 · 0,9 · 1 · 0,0652 = 14,1 кН/м. Следовательно,
| q = |
8 · 14,1 |
= 12,53 кH/м. |
| 32 |
Увеличение полезной нагрузки за счет подращивания плиты составляет
12,53 - 6,37= 6,16 кН/м,
где 6,37 - несущая способность плиты до усиления, кН/м.
Кроме рассмотренных случаев повышения прочности перекрытия слоем армированного бетона, возможно его усиление стальными балками и фермами, частично или полностью воспринимающими полезную нагрузку.
Усиление зоны стыка плит перекрытия с ригелем при малой площадке опирания показано на рис. 3.4. Принцип усиления основан на устройстве под аварийной плитой опорного столика, подвешиваемого на стальной пластине или тяжах, закрепленных в полках смежных плит. Для более надежного заанкеривания тяжей возможна также их приварка к монтажным петлям панели.
73
Рис. 3.4. Усиление зоны стыка плит перекрытия с ригелем:
а - столиком, подвешенным на стальной пластине; б - то же, на стальных тяжах; в - то же, на хомутах; 1 - опорный столик (уголок); 2 - стальная пластина; 3 - ригель; 4 - швеллер; 5 - монтажный уголок; 6 - монтажный болт; 7 - ребристая панель; 8 - бетонный пол; 9 - пластина; 10 - стальной тяж; 11 - пластина опорного столика; 12 - ребро жесткости
74
