Основные принципы проектирования усиления железобетонных и каменных конструкций

Классификация основных способов усиления строительных конструкций

Классификация причин усиления строительных конструкций зданий и сооружений.

Систематизация способов усиления. Проект усиления

Все известные средства усиления элементов зданий и сооружений по признаку включения конструкций усиления в работу разделяются на две основные группы:

введение новых рагружающих и замещающих конструкций, воспринимающих полностью или частично нагрузки, которые передавались на существующие конструкции;

увеличение несущей способности действующих конструкций, то есть их усиление.

Группа разгружающих конструкций состоит из двух подгрупп: полная разгрузка или замена существующих конструкций новыми; частичная разгрузка, при которой часть нагрузки воспринимается существующими, а часть – разгружающими конструкциями. Поскольку частичная разгрузка, в принципе, не имеет существенных отличий от усиления, то эта подгруппа может быть отнесена и к группе увеличения несущей возможности.

 

 


Таблица 5.1.

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

Таблица 5.2.

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

 


Группа увеличения несущей способности состоит из четырех подгрупп: усиление без изменения статической схемы и напряженного состояния; усиление с изменением статической схемы; усиление с изменением напряженного состояния; специальные случаи усиления. Отмеченные подгруппы объединяют средства усиления, в основном, по первичному признаку и взаимозависимы между собой в соответствии с табл. 5.2.

Систематизация средств усиления по признаку включения конструкций усиления в работу обладает некоторой условностью и предназначена для обзора всего многообразия известных методов усиления с целью выбора наиболее рационального способа для конкретных условий.

Проект усиления должен включать обоснование принятых средств усиления с ссылкой на документы обследования существующих конструкций, конструктивные решения по усилению, сметы на выполнение строительно-монтажных работ, а также проект организации работ и правила техники безопасности и их особенности при производстве работ в условиях действующего предприятия.

В проекте усиления также должны учитываться прогнозы влияния возможного подъема уровня грунтовых вод, осадки оснований при случайных замачиваниях, повторной подработки, динамического воздействия от оборудования и других возможных воздействий.

В проекте усиления хранилищ для сыпучих материалов необходимо показать: условия загрузки хранилищ в процессе усиления; условия первичного и последующих загрузок после усиления, сроки выдерживания конструкций под нагрузкой и порядок разгрузки; порядок и требования к визуальному и инструментальному наблюдению за осадками сооружений и деформациями основных конструктивных элементов при первом загружении после усиления.

Выбор того или иного метода усиления строительных конструкций зависит от технического задания на реконструкцию здания или сооружения, которое включает возможные изменения объемно-планировочных решений, нагрузок и условий эксплуатации. При этом необходимо стремиться к максимальному сохранению существующих зданий, сооружений и конструкций, что, как правило, обеспечивает минимальные затраты на восстановительные работы.

Усиление строительных и, в частности, железобетонных конструкций является, как правило, трудоемким и дорогостоящим процессом, поэтому принятию решения по усилению должен предшествовать тщательный анализ возможности использования существующих конструкций в новых условиях эксплуатации. Этого можно добиться за счет более рационального размещения технологических нагрузок, применения временных приспособлений для демонтажа и монтажа тяжелого оборудования, принятия обоснованных ограничений на сочетание различных временных нагрузок, путем снижения эффектов динамических воздействий за счет эффективной виброизоляции и т.п.

Усиление строительных конструкций в условиях реконструкции и технологического перевооружение действующих предприятий следует проектировать с учетом таких факторов:

выполнение работ в минимальные сроки;

с учетом массовости (серийности ) работ по усилению;

максимального учета на стадии проектирования требований технологии и условий производства работ;

унификация элементов и деталей с учетом отклонения размеров усиливаемых конструкций от проектных;

с учетом стоимости прекращения производства, что в большинстве случаев значительно превышает стоимость материалов и производства работ по усилению.

Степень совмещения работ по усилению конструкций с основной деятельностью предприятий, определяют с учетом объемно-планировочной и технологической компоновки здания, возможности устройства проходов и проездов для строительных машин и механизмов; условий производства работ (сложность участка, наличие в зоне производства работ действующего технологического оборудования, внутрицехового транспорта установок с высоким напряжением и т.д.); агрессивности среды предприятия (степень концентрации в воздухе рабочей пыли и газов, температурно-влажностного режима, степень взрыво- и пожароопасности и др.); требований техники безопасности.

На производствах с часто сменяемым технологическим оборудованием проектирование конструкций усиления рекомендуется осуществлять с учетом возможности дальнейшего увеличения нагрузок, а в указаниях по эксплуатации усиленных конструкций отмечать предельные значения нагрузок и возможные средства увеличения несущей способности.

Для решения вопроса об усилении и для проектирования усиления при реконструкции зданий и сооружений необходимо иметь, как правило, следующие материалы:

Рабочие чертежи существующих конструкций зданий и сооружений.

Данные об инженерно-геологических и гидрогеологических условия площадки, на основании которых выполнялось изначальное проектирование.

Данные о соответствии фактического выполнения конструкций проектным решениям с указанием всех отклонений от проекта в части габаритов конструкций, узлов их соединения.

Результаты геодезической съемки расположения конструкций для определенная осадок, относительных сдвигов, прогибов и кренов существующих конструкций, узлов, их соединений.

Длительность эксплуатации существующего здания или сооружения.

Данные о размерах и режимах технологических нагрузок в период эксплуатации.

Данные о характеристиках бетона и стали каждого конструктивного элемента, количестве арматуры и ее классах, состояниях сварных швов. Места для определения класса бетона, количества арматуры, ее диаметра и класса назначаются организацией, разрабатывающей усиление.

Особенности технологического процесса реконструируемого сооружения (сухой, мокрый, наличие повышенных температур, характер агрессивных воздействий, наличие загазованности, которая препятствует выполнению сварочных работ).

Данные об авариях конструкций которые имели место за весь период до момента проектирования усилений.

Данные об аварийных деформациях оснований и причинах их вызвавших (осадка и набухание от замачивания, деформации от повышенных температур, циклическое замораживание и оттаивание).

Данные о выполнявшихся ранее усилениях конструкций и оснований.

Инженерно-геологические и гидрогеологические условия на период проведения реконструкции (усиления), в т.ч. и уровень агрессивности грунтовых вод.

Данные о новых нагрузках, режимах эксплуатации и ожидаемой агрессивности окружающей среды.

Ведомости о основных дефектах конструкций, оказывающих влияние на несущую способность, снижение долговечности и ухудшение эксплуатационных свойств конструкций.

Для усиления в первую очередь рекомендуются конструктивные решения с четкой расчетной схемой, обеспечивающей совместную работу усиливаемых и усиливающих частей конструкций и позволяющих достоверно определить величину дополнительно воспринимаемой нагрузки.

При проектировании усилений поврежденных конструкций нужно предусматривать мероприятия по закреплению их в проектном положении, удалению бетона на разрушенных участках, выравниванию арматуры.

Класс бетона усиления стоит применять на один класс выше, чем класс бетона усиливаемой конструкции, но не ниже В15 для наземных конструкций и не выше В12.5 – для фундаментов.

Для конструкций, которые работают в агрессивной среде или имеют повреждения от коррозии, класс бетона усиления следует принимать по плотности или по стойкости соответствующим агрессивным воздействиям данной среды.

Раствор для защитных цементных штукатурок и бетон для заделки гнезд, борозд, отверстий нужно принимать класса не ниже В15.

Для усилений наращиванием, рубашками и обоймами рекомендуется использовать портладцемент марки не ниже М400; при необходимости быстрого отвердевания рекомендуется цемент той же марки, но с тепловой обработкой бетона либо с использованием добавок-пластификаторов.

Максимальную крупность заполнителя для бетона усиления следует назначать с учетом следующих требований:

При уплотнении бетонных смесей вибрированием – не более 20 мм (за исключением массивных элементов усиления).

При обоймах толщиной 75-120 мм из литых суперпластифицированных бетонов – 5…10 мм.

При нанесенными смесей набрызгом – не более толщины слоя бетона в конструкции усиления.

При торкретировании – не более 8…10 мм, в зависимости от паспортных данных цементной пушки.

При подливе мелкозернистым бетоном полостей высотой до 50 мм – не более 5 мм, высотой более 50 мм – 10 мм.

В густоармированых набетонках, обоймах – крупность заполнителя не должна превышать 3/4 расстояния между арматурными стержнями.

В отдельных случаях, при очень частом расположении арматуры, допускается вместо бетона принимать цементно-песчаные бетоны прочностью не менее предусмотренной проектом усиления.

Удобоуладываемость бетонной смеси рекомендуется назначать в зависимости от толщины бетонируемого элемента. При толщине бетонируемого элемента до 120 мм осадка конуса принимается не менее 6…8 см, при толщине элемента от 120 до 200 мм осадка конуса принимается 2…6 см, а при толщине более 200 мм и при бетонировании вибробулавой – осадка конуса принимается 1…3 см. При этом рекомендуется использовать пластификаторы. Для обойм из литых суперпластифицированных бетонных смесей осадка конуса должна составлять не менее 18 см. Для обойм, рубашек и гильз при усилении емкостных сооружений рекомендуется применять литой бетон с осадкой конуса 16…20 см.

При выполнении усилений в зимних условиях усиливаемые конструкции, как и бетон усиления, должны при бетонировании иметь температуру не менее 10°С.

Для обеспечения совместной работы бетона усиливаемой конструкции с бетоном усиления, необходимо как при проектировании, так и при производстве работ уделять внимание мероприятиям, которые способствуют повышению сцепления старого бетона с новым. В частности, гладкие контактные поверхности рекомендуется поддавать пескоструйной обработке, насечке или обработке металлическими щетками. Непосредственно перед укладкой нового бетона поверхность старого должна быть промыта струей воды под давлением, при этом лишняя вода должна быть удалена из-за негативного влияния излишнего увлажнения на сцепление.

Поверхность шпуров, пробуренных в бетоне при закреплении в них арматуры с помощью эпоксидного клею или виброзачеканки для наращивания конструкций или крепления закладных элементов, очищается от инордных включений, воды, наледенений. Шпуры, залитые водой, должны быть предварительно осушены продувкой сжатым воздухом. Поверхность арматуры, подлежащей закреплению в шпурах, очищается от грязи механическим путем, от масел и жировых пятен – с помощью ацетона, а при наличии коррозии – обработкой в 20% растворе соляной кислоты.

Для армирования ненапрягаемых конструкций рекомендуется применять рабочую арматуру из стали класса А-І (А240), A-III (А400). Для напряженной арматуры, шпренгелей и затяжек рекомендуется арматура классов А500, A600, A800, А1000 по ДСТУ 3760:2006 диаметром от 10 до 25 мм, а также арматурные канаты класса К- 7 по ГОСТ 13840-68* и К- 19 по ТУ 14-4-22-71. Стали с индексом «К» рекомендуется применять в конструкциях, предназначенных для работы в агрессивных средах.

Для усиления большепролетных конструкций в качестве напрягаемой арматуры рекомендуются канаты и пучки из них. При относительно небольших размерах конструкций, в качестве преднапряженной рекомендуется использовать стержневую арматуру без стыков.

Для армирования дисперсно-армированного бетона рекомендуется стальная проволока Æ0.2-0.5 мм. Затраты фибры на 1 м3 бетонной смеси ориентировочно равняются 1.5% по объему, что соответствует примерно 120 кг фибр на 1 м3 смеси.

Для предотвращения проскальзывания стержней усиления необходимо обеспечивать их надежную анкеровку на концах. Анкеровка за счет сцеплению прямолинейных стержней с бетоном допускается только для арматуры периодического профиля.

При усилении под нагрузкой рекомендуется избегать конструктивных решений, которые предусматривают сварные соединения существующей арматуры со стальными элементами усилений.

Не допускается применение сварных соединений при напряжениях в арматуре усиливаемого элемента более 0.85 от предела текучести арматуры. Проверку величин напряжений в арматуре выполняют по наиболее нагруженному и наиболее ослабленному сечению, с учетом фактической прочности и площади сечений арматуры и бетона. Площадь сечения арматуры в этом случае принимается без учета площади сечения привариваемых стержней.

Если конструктивное решение предусматривает сварные соединения, коротыши, скобы и другие соединительные детали, привариваемые к существующей арматуре, то, во избежание прожогов и подрезов, их рекомендуется изготавливать из арматурной стали класса А-І (А240) Æ10…16 мм.

Для обеспечения надежной работы усиленной конструкции, детали, соединяющие существующую и дополнительную арматуру, при сварке должны располагаться «в разбежку» (в шахматном порядке).

При этом расстояние между соединительными деталями вдоль стержней должно быть не менее 20d арматуры.

В проекте необходимо оговаривать вид сварных соединений, марку электродов, очередность выполнения сварных швов, количество выполняемых проходов, обработку поверхности швов и прочее.

Конструкция и очередность выполнения сварных швов должны обеспечивать минимальные деформации конструкций в процессе выполнения сварочных работ.

Для снижения деформаций в ригелях рам и балках приварку дополнительной арматуры к существующей коротышами, при выполнении ее под нагрузкой, рекомендуется осуществлять в направлении к более нагруженным сечениям симметрично с обоих сторон. Приварку скоб, хомутов необходимо проводить от выгнутой части в конец стержня с обязательным наплавлением кратера шва. Во всех случаях при усилении, во избежание концентрации напряжений, нужно назначать минимально необходимое сечение сварных швов, причем целесообразно увеличивать длину шва, а не его катет.

При проектировании и выполнении сварных соединений арматуры, следует руководствоваться такими указаниями:

в конструкциях, разгружаемых во время выполнения работ по усилению, в случае приварки дополнительной арматуры к существующей, сварные швы h = 4…6 мм допускается выполнять за один проход; швы h>6 мм – за два прохода;

при сварке под нагрузкой, при отрицательных температурах, а также для конструкций, эксплуатируемых при динамических нагрузках, швы h < 6 мм выполняются за два прохода, а при h > 6 мм - за три прохода.

Проектирование усиления бетонных и железобетонных конструкций зданий, сооружений и фундаментов, предназначенных для работы в условиях агрессивной среды и повышенной влажности, должно вестись с учетом дополнительных требований.

При защите напрягаемой арматуры от коррозии толщина защитного слоя бетона должна быть не менее 20 мм. Анкеры должны быть защищены прослойкой раствора толщиной не меньше 5 мм или бетона не менее 10 мм. При определении толщины защитной слоя необходимо учитывать требования пожарной безопасности в соответствии с действующими в Украине нормативами.

Для предприятий с повышенной степенью агрессивности железобетонные конструкции усиления рекомендуется проектировать, по возможности, плоскими с минимальным количеством участков, на которых могут скапливаться агрессивные продукты выбросов, обеспечивая повышение их долговечности. В железобетонах конструкциях усиления в агрессивных условиях лучше было бы использовать стали марок 18Г2С и 25Г2С, которые обладают повышенной коррозийной стойкостью.

После выполнения работ по усилению передача нагрузок на усиленную конструкцию до набора бетоном усиления проектной прочности не рекомендуется.