Расчет конструкций усиления

Расчеты по усилению каменных и армокаменных элементов необходимо проводить по фактической прочности всех участвующих в работе материалов несущего остова (кирпича, раствора, бетона и стали) в растянутой и сжатой зонах. При этом следует учитывать все факторы, снижающие прочностные и жесткостные характеристики стен (трещины, местные дефекты, отклонение стен от вертикали, эксцентриситеты нагрузок в плоскости и из плоскости стен, нарушение связей между несущими конструкциями, смещение плит покрытий, перемычек, прогонов, стропильных конструкций).

Конструктивные формы и варианты усиления должны соответствовать рациональному и архитектурно-эстетическому расположению всех дополнительных элементов на деформированном несущем остове из условий максимального расчетного использования по прочности и жесткости его габаритов, расчетных сечений, опорных зон и связей.

При этом дополнительные элементы усиления следует вовлекать в совместную работу со стенами с учетом минимальной концентрации напряжений в местах взаимодействия.

Все дополнительные элементы усиления должны соответствовать состоянию долговечной эксплуатации по условиям защиты от коррозии по СНиП 2.03.11.

Расчетное сопротивление кладки принимается в соответствии с п.п. 3.1 - 3.18 СНиП II-22 на основании заключения о техническом состоянии строительных конструкций объекта.

Начальный модуль деформации кладки Е_ms,_о принимается в соответствии с п. 3.20 СНиП II-22.

Модуль деформации кладки Е_ms определяется в зависимости от величины действующей нагрузки

Е_ms = E_ms, _о(1 - N_sе /(1,1 R_u A_ms)), (1)

где: N_sе - расчетная нагрузка, Н,
R_u - временное сопротивление сжатию кладки,
A_ms - площадь сечения кладки.

Деформации ползучести каменной кладки необходимо учитывать при ее возрасте до 5 лет согласно п.п. 3.23 - 3.24 СНиП II-22.

Значения смещений, выпучиваний стен или наружных слоев, крены должны приниматься по данным инструментальных измерений, а в случае продолжающейся осадки по данным прогнозируемых осадок.

Расчетные длины стен, простенков, столбов определяются с учетом их закрепления с перекрытиями, поперечными стенами или каркасом здания. Точками закрепления считаются имеющиеся связи, при этом учитывается разделение стен трещинами на рассматриваемом участке на отдельные отсеки и техническое состояние связей.

При проверочных расчетах многослойных стен с гибкими или жесткими связями должно учитываться фактическое состояние связей (жестких или гибких) и отклонение от вертикальности отдельных слоев.

Геометрические размеры сечений стен, простенков, столбов, глубина повреждений, борозд должны назначаться по данным обмерных чертежей.

Расчетные схемы составляются с учетом совместного деформирования основания и сооружения, пространственного характера работы элементов. Элементы усиления рассчитываются на воздействие перерезывающих сил, возникающих в стенах от влияния неравномерных перемещений основания.

При упругой расчетной модели здания жесткость элементов каменных конструкций назначается с учетом модуля деформации кладки Е_ms.

Поверочные расчеты каменных и армокаменных конструкций зданий и сооружений необходимо проводить в соответствии с требованиями СНиП II-22.

Расчет усиления каменных конструкций с включением в работу дополнительных слоев следует производить по правилам расчета многослойных стен с учетом неполного использования прочности новых слоев при их совместной работе за счет ползучести кладки.

При заделке в кирпичные стены железобетонных балок и плит перекрытий кроме расчета на внецентренное и местное сжатие сечения кладки, расположенного под концом железобетонного элемента, должен производиться расчет на осевое сжатие опорного узла железобетонной конструкции.

Должна быть также проверена несущая способность горизонтального сечения пересекающего ребра пустотелой плиты перекрытия.

При передаче на обрез плиты усилий от обойм - стоек проверяется прочность по перерезывающей силе и, в случае необходимости, пустоты на приопорных участках должны быть заполнены бетоном, прочность которого должна быть на ступень выше прочности плиты.

При наличии трещин в крайних клинчатых и арочных перемычках определяется прочность пяты на срез, а также прочность углового простенка (при отсутствии затяжки) на внецентренное сжатие в плоскости стены от совместного действия распора и вертикальной продольной силы. Если прочность пяты на срез или углового простенка на внецентренное сжатие недостаточна, для восприятия распора в арочных перемычках должны быть установлены затяжки.

В зданиях со сводчатыми кирпичными перекрытиями по металлическим балкам при отсутствии затяжек в крайних пролетах, расчет стен, примыкающих к несущим балкам, следует выполнять с учетом величины распора, создаваемого сводиками. При наличии сосредоточенных нагрузок в пределах отдельного свода следует учитывать разность распорных усилий в смежных пролетах. Как правило, для восприятия подобных усилий следует предусматривать устройство затяжек, устанавливаемых с шагом 1,5 - 2,0м и закрепляемых к металлическим балкам перекрытия в крайних сводиках (рис. 1).

Расчет конструкций из кирпичной кладки, усиленной ненапрягаемыми металлическими обоймами, при центральном и внецентренном сжатии при эксцентриситетах, не выходящих за пределы ядра сечения, производится по формулам (рис. 15а):

N£y([(m_qm_kR + ( )A _ms+ R_scA_s¹ ] ; (2)

при железобетонной обойме (рис.15б)

N£y([ (m_qm_kR + ( )A_ms +m_bR_bA_b + R_scA_s¹] ; (3)

при армированной растворной обойме (рис.15в)

N£yj(m_qm_kR + h )A _ms. (4)

Рис. 15. Схема усиления кирпичных столбов обоймами.

а – металлической; б – железобетонной; в – армированной штукатуркой.

1 – планка; 2 – уголок; 3 – стержни; 4 – хомуты; 5 – бетон;
6 – штукатурка.

Коэффициенты ψ и η (принимаются при центральном сжатии y= 1 и h= 1: при внецентренном сжатии (по аналогии с внецентренно сжатыми элементами с сетчатым армированием):

y=1 - ; (5)

h= 1 - (6)

В формулах (2 - 6):

N - продольная сила;

А_ms - площадь сечения усиливаемой кладки;

А_s - площадь сечения хомута или поперечной планки;

А_s¹ - площадь сечения продольных уголков стальной обоймы или продольной арматуры железобетонной обоймы;

А_b - площадь сечения бетона обоймы, заключенная между хомутами и кладкой (без учета защитного слоя);

R_sw - расчетное сопротивление поперечной арматуры обоймы (табл. 4);

R_sc - расчетное сопротивление уголков или продольной сжатой арматуры (табл. 4);

j - коэффициент продольного изгиба (при определении φ значение упругой характеристики, a_ms принимается как для неусиленной кладки, см. п. 4.2 СНиП II-22) ;

m_q - коэффициент, учитывающий влияние длительного воздействия нагрузки (см. п. 4.7 СНиП II-22);

m_к - коэффициент условий работы кладки, принимаемый равным 1 для кладки без трещин, для кладки с трещинами - 0,7;

m_b - коэффициент условий работы бетона, принимаемый равным 1 - при передаче нагрузки на обойму и наличии опоры снизу обоймы, 0,7 - при передаче нагрузки на обойму и отсутствии опоры снизу обоймы и 0,35 - без непосредственной передачи нагрузки на обойму;

m - процент армирования хомутами и поперечными планками, определяемый по формуле:

m= 100 (7)

где: h и b - размеры сторон усиливаемого элемента (h - высота сечения в плоскости действия изгибающего момента);
s - расстояние между осями поперечных связей при стальных

обоймах (h ≥ b ≥ s, но не более 0,5м) или между хомутами при железобетонных и штукатурных обоймах (s ≤ 0,15м);

е_о - эксцентриситет продольной силы N относительно центра тяжести сечения (см. п. 4.7 СНиП II-22).

Расчетные сопротивления арматуры, применяемой при устройстве обойм, принимаются по табл. 4.

Таблица 4.

Несущая способность центрально - сжатых каменных столбов, усиленных предварительно напрягаемыми металлическими навесными обоймами составляет (см. рис. 2):

N = N_sе + m_q jDN_ms, (8)

тоже, обоймами - стойками

N = N_sе + m_q j(DN_ms + n N_s2), (9)

где: m_q - коэффициент, учитывающий влияние длительной нагрузки;
DN_ms - приращение несущей способности усиленного каменного столба;

n - число продольных металлических уголков с несущей способностью N_s2;

DN_ms = A_ms R₁,_t/µ^*, (10)

(10а)

(10б)

где: R₁,_t - минимальная прочность кирпича наружной версты при изгибе;
µ* - коэффициент поперечных деформаций Пуассона с учетом пластических деформаций кладки от действующей на стадии усиления нагрузки (допускается принимать в интервале 0,35 ... 0,50).

N_s2 = j_s2 А_s2 R_s2 ¡_с2, (11)

где: j_s2 - коэффициент продольного изгиба уголка с расчетной длиной, равной шагу поперечных хомутов;
А_s2 - площадь поперечного сечения уголка ;
R_s2 - расчетное сопротивление стали уголка по пределу текучести;
¡_с2 - коэффициент условий работы уголка (см. р. 4 СНиП II-23).

Поперечные хомуты устанавливаются из условия прочности

s_s1 = N_o1/A_{s1 +}aDN_ms µ^*/А_ms£R_s1 ¡_c1, (12)

где:

a= S H Е_s/(S H E_ms,0 + 2 A_s1 Е_s (1 - µ^*)), (13)

N_o1 - расчетное усилие предварительного напряжения поперечных хомутов;

А_s1 - площадь поперечного сечения хомутов;

R_s1 - расчетное сопротивление стали по пределу текучести;

¡_с1 - коэффициент условий работы поперечных хомутов(см. р. 4 СНиП II-23);

S - шаг поперечных хомутов;

Н - высота поперечного сечения каменного столба;

Е_s - модуль упругости стали.

Шаг хомутов принимается из условий

S£B; S£0,5; S£40 i_s, (14)

где: В - ширина поперечного сечения каменного столба ;
i_s - радиус инерции металлического уголка обоймы.

Максимальное значение усилия предварительного напряжения поперечных хомутов определяется из условия отсутствия вертикальных деформаций растяжения каменной кладки :

N_o1, _max £S (b -- t) N_s1 /(2 А_ms µ^*), (15)

где: b и t - ширина и толщина полки металлического уголка;

Минимальное значение усилия предварительного напряжения поперечных хомутов принимается из условия обеспечения совместной работы каменной кладки и металлической обоймы :

N_o1, _min > A_s1 (s₁ + s₂ + s₃), (16)

где: s₁ - потери от усадки раствора между обоймой и кладкой (допускается принимать s₁ = 30 МПа);
s₂ - потери от релаксации напряжений (s₂ > 0), МПа;

s₂ = (0,1 N_{о1 ­}/А _s1) - 20 ; (17)

s₃ - потери от деформаций обжатия кладки по поверхности трещин и раствора между уголками обоймы и кладкой, МПа. При механическом способе натяжения потери напряжений s₃ не учитываются.

Величина усилия предварительного напряжения металлических уголков N₀₂ обоймы - стойки принимается из условий:

N₀₂ ³0.01 МН; N₀₂ £N_sе/n; N₀₂£N_s2. (18)

Предварительное напряжение элементов обоймы - стойки необходимо осуществлять по одной из трех схем в зависимости от деформативности каменной кладки и металлических уголков:

1) При условии e_ms > e_s2 в первую очередь выполняется предварительное напряжение поперечных хомутов, где:

e_ms = DN_ms/(A_ms Е_ms,_о), (19)

e_s2 = (N_s2 - N_o2)/(A_s2 E_s) ; (20)

Металлические уголки включаются в работу при нагрузке

N = N_sе + DN_sе - DN_sе,₁, (21)

где:

DN_sе,1 = (N_s2 - N_o2) (A_ms Е_ms,_о + n A_s2 E_s)/(А_s2 Е_s) (22)

2) При условии e_ms < e_s2 в первую очередь выполняется предварительное напряжение металлических уголков.

Поперечные хомуты включаются в работу при нагрузке

N = N_sе+ DN_sе - DN_sе,₂, (23)

где:

DN_sе,₂ = DN_ms (А_ms Е_ms,_о + n А_s2 Е_s) /(А_ms Е_ms,_о) (24)

3) При условии e_ms = e_s2 поперечные хомуты и металлические уголки включаются в работу одновременно.

Площадь поперечного сечения предварительно - напряженных тяжей А_s определяется из условия прочности кладки на срез

А_s = 0,2 R_cp L h/(R_s ¡_с), (25)

где: R_cp - расчетное сопротивление срезу кладки по неперевязанному сечению;
L - длина стены ;
h - толщина стены;
R_s - расчетное сопротивление стали по пределу текучести;
¡_с - коэффициент условий работы (при создании предварительного напряжения механическим путем с контролем усилий ¡_с = 0,85, электротермическим с контролем удлинений 0,75);

Включение тяжей в работу необходимо производить при достижении цементно-песчаным раствором 50% прочности после зачеканки трещин.

Усилие предварительного напряжения тяжей N_o принимается равным

N_o = 0,5 А_s R_s ¡_с. (26)