Основные принципы проектирования усиления железобетонных конструкций

Общие положения и классификация способов усиления железобетонных конструкций

Несущая способность существующих железобетонных конструкций может оказаться недостаточной при реконструкции зданий (в том числе при перепрофилировании), а также при наличии дефектов и повреждений.

Реконструкция производственных зданий сопровождается, как правило, изменением нагрузок на строительные конструкции, например, увеличением эксплуатационных нагрузок, или изменением их первоначальных схем работы, что приводит, к необходимости увеличения несущей способности конструкций и, следовательно, их усиления. В этом случае приходится усиливать железобетонные конструкции, не имеющие повреждений.

Необходимость усиления строительных конструкций возникает не только при реконструкции, но и при их износе (нарушении защитного слоя, коррозии арматуры и бетона, наличии трещин, непроектных прогибов, и т.д.). В этом случае приходится усиливать железобетонные конструкции, поврежденные в ходе эксплуатации с целью не только повышения их несущей способности, но и восстановления их эксплуатационных свойств и повышения долговечности.

К настоящему времени разработано и применяется на практике множество различных способов и конструктивных приемов усиления, выбор которых обусловливается рядом конкретных условий. Обычно выделяют три наиболее важных фактора, влияющих на выбор проекта реконструкции:

1) минимальные сроки производства работ по усилению и, соответственно, минимальные сроки остановки действующего производства;

2) минимум трудозатрат при изготовлении и монтаже усиливающих конструкций;

3) надежность и долговечность усиленной конструкции.

Можно выделить два основных направления при производстве усиления конструкций: без разгрузки и с разгружением конструкции. В свою очередь, первое направление можно подразделить на два метода усиления: с изменением расчетной схемы или напряженного состояния конструкции и без изменения расчетной схемы и напряженного состояния конструкции.

При производстве работ по усилению с разгружением конструкции условно выделяют:

а) способы усиления при полном разгружении с последующим исключением конструкции из работы и ее заменой на новую (этот способ скорее следует считать возведением нового конструктивно независимого элемента);

б) способы усиления при частичном разгружении конструкции либо ее элемента.

Чтобы дать представление о многообразии различных способов и конструктивных приемов усиления, следует перечислить наиболее часто встречающиеся из них, условно разделив их на три группы.

Группа 1 – усиление без разгрузки конструкции с изменением расчетной схемы или напряженного состояния:

– усиление предварительно напряженными распорками, стойками, затяжками, обоймами;

– установка шарнирно-стержневых цепей, дополнительных жестких и упругих опор;

– установка предварительно напряженных хомутов;

– установка дополнительной горизонтальной или шпренгельной предварительно напряженной арматуры (затяжки).

Группа 2 – усиление без разгрузки конструкции и без изменения расчетной схемы и напряженного состояния:

– железобетонные рубашки, обоймы, одно- и двухстороннее наращивания;

– торкретирование и набрызгивание бетона (как правило, с добавлением арматуры);

– местное усиление накладными хомутами, дополнительной поперечной арматурой и пр.;

– усиление с использованием усиливающих элементов, присоединяемых к основной конструкции на клею либо с помощью высокопрочных болтовых стяжек.

Группа 3 – усиление с частичным разгружением конструкции:

– устройство дополнительных металлических и железобетонных балок;

– установка предварительно напряженных разгружающих ферм и кронштейнов;

– установка разгружающих систем металлических и железобетонных конструкций и др.

На рисунке 1 приведена развернутая, обобщающая различные приемы усиления, классификация, основанная на анализе работы конструкции с точки зрения ее напряженно-деформированного состояния, расчетной схемы и требуемого изменения несущей способности.

Основные принципы проектирования усиления железобетонных конструкций

1. Усиленная конструкция должна удовлетворять современным требованиям в отношении прочности, жесткости, устойчивости и другим специальным требованиям (пожарной безопасности, долговечности, обеспечения отсутствия вредного воздействия на человека в результате физических, биологических, химических, радиационных и иных воздействий и др.).

2. Конструкции усиления должны отвечать технологическим требованиям: обеспечивать простоту их устройства; быть унифицированы в пределах реконструируемого объекта; допускать возможность внесения изменений (подгонки) по месту; предельная масса и размеры конструкций усиления должны соответствовать фактическим условиям их устройства и характеристикам имеющихся монтажных механизмов; обеспечивать возможность членения работ на ряд параллельных процессов с целью максимального их совмещения и расширения фронта работ и, следовательно, сокращения продолжительности выполнения.

3. Монтажные элементы усиления должны оснащаться устройствами и приспособлениями для рихтовки и выверки, а также устройствами для включения конструкций усиления в работу. Например, конструкции усиления колонн в виде обойм, стоек должны иметь устройства для выбора монтажных зазоров и включения их в работу.

4. 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.

5. При выборе оптимального способа усиления строительных конструкций важно установить действительный характер их работы, фактически действующие нагрузки. При этом необходимо учитывать современные достижения в оценке влияния фактических узлов сопряжения на усилия в конструкциях и соответствие выбранных расчетных схем реальным условиям их работы.

Например, расчет существующих колонн по деформированной схеме позволяет существенно повысить их расчетную несущую способность. Аналогичных результатов можно добиться путем учета совместной работы стропильных конструкций и сборных ригелей перекрытий соответственно с плитами покрытия и перекрытия.

6. При определении нагрузок на существующие конструкции необходимо использовать фактические данные о собственной массе технологического оборудования и строительных материалов, так как принятие нормированных значений этих величин, установленных для проектирования вновь возводимых сооружений, зачастую приводит к существенному завышению фактически действующих нагрузок и, как следствие, к неоправданному и дорогостоящему усилению конструкций.

7. Некоторым резервом снижения материалоемкости и трудозатрат при усилении является учет фактических прочностных характеристик бетона и стали при выполнении проверочных расчетов. При этом использование реальных прочностных характеристик материалов должно осуществляться без ущерба для эксплуатационной надежности отдельных конструкций и сооружения в целом.

8. При усилении следует отдавать предпочтение индустриальным способам, которые не требуют разгрузки конструкций, методам, связанным с изменением статической схемы конструкций, использованию предварительного напряжения, высокопрочным сталям, полимер- и фибробетону, композитным материалам на основе углеродных (арамидных или стеклянных волокон), напрягающим цементам и другим эффективным материалам.

9. Усиление конструкций предварительным напряжением следует производить, применяя такие конструктивные решения и методы производства работ, при которых соблюдается плавное включение элементов усиления в работу совместно с существующими конструкциями. Для этого следует предусматривать временную разгрузку усиливаемых конструкций или использовать искусственное регулирование усилий.

10. 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.

11. При выборе вариантов усиления следует отдавать предпочтение решениям с четкой расчетной схемой, обеспечивающей совместную работу усиливаемой конструкции с элементами усиления и позволяющей достоверно определить дополнительно воспринимаемую нагрузку. При этом технические решения по усилению должны учитывать не только перспективу увеличения нагрузок, но и ликвидировать обнаруженные на стадии обследования дефекты изготовления, монтажа и эксплуатации. К таким дефектам относятся: отклонения от проекта в величине защитного слоя, ошибки в армировании по диаметрам, классам и количеству арматуры, снижение проектного класса бетона, сверх допустимое отклонение колонн по вертикали, наличие трещин, отколов и каверн в бетоне и т.п.

12. Проект усиления разрабатывается с учетом многих исходных данных: рабочих чертежей строительных конструкций и исполнительных схем, отклонений фактических размеров сечений и узлов от проектных решений, инженерно- и гидрогеологических условий площадки, геодезической съемки здания для определения осадок, прогибов, кренов, смещений и т.п., сроков эксплуатации конструкций, а также величины и характера технологических нагрузок, физико-механических характеристик бетона и арматуры каждого конструктивного элемента, характера технологических процессов в помещениях реконструируемого объекта, интенсивности и распределения нагрузок, прогнозов изменений гидрогеологического режима в процессе реконструкции и последующей эксплуатации, информации о появившихся при эксплуатации дефектах строительных конструкций и мероприятиях по их устранению.

К подобным дефектам относятся повышенные прогибы и перемещения, недопустимое раскрытие трещин, раздробление бетона в сжатой зоне, отслоение защитного слоя бетона, коррозия арматуры и бетона, обрыв рабочей арматуры, нарушение сцепления бетона и арматуры, отклонения в геометрии и армировании и т. п.

13. Усиление конструкций может осуществляться по двум ранее приведенным схемам: возведение новых разгружающих или заменяющих конструкций, которые полностью или частично воспринимают дополнительные нагрузки; увеличение несущей способности существующих конструкций,

В свою очередь увеличение несущей способности конструкций может осуществляться, как уже было указано ранее: без изменения и с изменением расчетной схемы и напряженного состояния; с применением специальных методов усиления.

14. Для элементов усиления в качестве напрягаемой арматуры рекомендуется применять:

- горячекатаную и термомеханически упрочненную периодического профиля классов А600 (А-IV), А800 (A-V) и А1000 (А-VI);

- холоднодеформированную периодического профиля классов от Вр1200 до Вр1500 (Вр-II);

- канатную 7- и 19-проволочную классов К1400, К1500 (К-7, К-19).

В качестве ненапрягаемой арматуры рекомендуется применять:

- горячекатаную гладкую класса А 240 (А-1);

- горячекатаную, термомеханически упрочненную и холоднодеформированную периодического профиля классов А300 (А-II), А400 (А-III), А500 (А500СП), В500 (Bp-I, B500C).

При этом в качестве арматуры железобетонных конструкций, устанавливаемой по расчету, следует преимущественно применять арматуру периодического профиля классов А500СП, а также арматуру класса В500 в сварных сетках и каркасах. При обосновании экономической целесообразности допускается применять арматуру более высоких классов. В виду важности вопроса рационального применения новых арматурных сталей для улучшения, как экономики железобетона, так и надежности конструкций, его рассмотрению посвящен отдельный пункт 2.1.

Вид арматуры следует принимать в зависимости от назначения конструкции, конструктивного решения, характера нагрузок и воздействий окружающей среды. Кроме требований по прочности на растяжение к арматуре предъявляют требования по дополнительным показателям, определяемым по соответствующим стандартам: свариваемость, выносливость, пластичность, стойкость против коррозионного растрескивания, релаксационная стойкость, хладостойкость, стойкость при высоких температурах, относительное удлинение при разрыве и др.

Стыковку арматуры в торец на стройплощадке следует осуществлять с помощью ванной сварки, а также винтовых и опресованных механических соединений.

При длине усиливаемой конструкции до 12 м рекомендуются все виды арматуры, свыше 12 м – канаты из проволоки диаметром не менее 2,5 мм. Стержневая свариваемая арматура может применяться со стыковкой по длине при усилении конструкций любых пролетов. Плохо свариваемую арматуру классов А600 (А-IV), А800 (A-V) и А1000 (А-VI) при больших пролетах следует стыковать с помощью обжимных муфт.

Конструкции усиления из канатов и пучков высокопрочной проволоки, расположенных открыто или в пазах, следует применять только в неагрессивных и слабоагрессивных средах.

15. Расчет железобетонных конструкций усиления выполняется с учетом армирования и фактических характеристик прочности материалов.

Бетон усиления должен приниматься на один класс выше, чем класс прочности бетона усиливаемого элемента, но не ниже В15 – для надземных конструкций и В12,5 – для фундаментов. Кроме того, при агрессивных условиях эксплуатации класс бетона должен отвечать требуемой плотности и стойкости, соответствующим требованиям эксплуатационной среды.

Раствор для заделки отверстий, защитной штукатурки и т.п. следует принимать не ниже марки 150.

При усилении бетонных и железобетонных конструкций наращиванием, «рубашками» и обоймами следует использовать портландцемент марки не ниже 400. Для ускорения твердения бетона рекомендуется применение быстротвердеющих цементов и добавок ускорителей твердения, а также тепловой обработки при «мягких» режимах подъема и снижения температур (5...10°С/ч).

16. Эффективность усиления железобетонных конструкций во многом определяется качеством бетонной смеси, видом и крупностью заполнителя. При виброуплотнении бетона крупность заполнителя (за исключением массивных конструкций) следует принимать не более 20 мм, а при усилении обоймами толщиной 70...120 мм – не более 10 мм. При торкретировании (набрызге бетона) крупность заполнителя определяется паспортными данными цемент-пушки и принимается не более 10 мм. В густоармированных элементах усиления крупность заполнителя не должна превышать 3/4 расстояния в свету между арматурными стержнями. Допускается также применение мелкозернистого и цементно-песчаного бетона прочностью не ниже проектной.

16. Эффективность усиления железобетонных конструкций во многом определяется качеством бетонной смеси, видом и крупностью заполнителя. При виброуплотнении бетона крупность заполнителя (за исключением массивных конструкций) следует принимать не более 20 мм, а при усилении обоймами толщиной 70...120 мм – не более 10 мм. При торкретировании (набрызге бетона) крупность заполнителя определяется паспортными данными цемент-пушки и принимается не более 10 мм. В густоармированных элементах усиления крупность заполнителя не должна превышать 3/4 расстояния в свету между арматурными стержнями. Допускается также применение мелкозернистого и цементно-песчаного бетона прочностью не ниже проектной.

Песок рекомендуется применять с модулем крупности не ниже 2,2...2,5 и с количеством пустот не более 40 %.

Состав бетона должен обеспечить проектную прочность элементов усиления и качественное уплотнение бетонной смеси. При толщине усиления до 120 мм осадка конуса принимается 6...8 см, от 120 до 200 мм – 2...6 см, более 200 мм – 1...3 см. Для улучшения качества уплотнения и снижения расхода цемента рекомендуется применять суперпластифицированные бетонные смеси с осадкой конуса не менее 18 см.

Рисунок 1 – Классификация способов усиления железобетонных конструкций

При выполнении работ в зимнее время усиливаемые конструкции и бетон усиления должны иметь температуру не менее плюс 15 °С.

17. Минимальная толщина защитного слоя бетона предварительно напряженной арматуры усиления должна приниматься 20 мм. В агрессивных условиях рекомендуется использовать стали марок 18Г2С и 25Г2С. Наиболее ответственные узлы усиления рекомендуется располагать вне зон постоянного увлажнения.

18. Расчет конструкций усиления производится по первой и второй группам предельных состояний. Для конструкций, находящихся в обычных условиях эксплуатации, усиление которых вызвано дефектами и снижением несущей способности, расчет производится только по первой группе предельных состояний.

19. Расчет усиленных конструкций должен учитывать изменение их статической схемы и напряженного состояния. При этом в усиленных статически неопределимых конструкциях необходимо учитывать возможность перераспределения усилий, ограничивая величину перераспределения моментов до 30 %. На отдельных участках конструкций эта величина может быть превышена, однако эти участки должны быть проверены на раскрытие трещин, по прочности сжатой зоны, а в некоторых случаях – по деформациям.

20. При повреждении площади сечений бетона или арматуры элементов более чем на 50 % несущая способность существующей конструкции в расчетах не учитывается, и всю нагрузку следует передавать на элементы усиления.

При приварке к существующей арматуре стержней усиления ее расчетное сечение следует снижать на 25 % в связи с возможным пережогом при сварке. Расчетное сечение существующей арматуры следует принимать с учетом возможных повреждений вследствие коррозии и других причин. Особенно опасны коррозионные повреждения для высокопрочной проволоки. При их обнаружении арматуру усиления следует рассчитывать на полную нагрузку, не учитывая существующее армирование из высокопрочной проволоки.

21. При изгибе и внецентренном сжатии совместная работа элементов усиления с усиливаемой конструкцией может учитываться только при обеспечении их надежного соединения.

22. Как и в обычных конструкциях, расчет прочности усиленных элементов производится для сечений нормальных и наклонных к продольной оси элемента, а также на местное действие нагрузки, вызывающее смятие, продавливание, отрыв. При наличии крутящих моментов следует проверить прочность пространственных сечений.

23. Нормативные и расчетные значения прочностных характеристик бетона и арматуры элементов усиления принимаются в соответствии с действующими нормативными документами, те же характеристики для усиливаемого элемента принимаются в соответствии с рекомендациями, изложенными выше.

24. Если в усиленном элементе применены бетоны и арматура различных классов, каждый вид бетона и арматуры вводится в расчет со своими расчетными сопротивлениями. При этом центр тяжести всего усиленного элемента и статические моменты рекомендуется определять, приводя все расчетное сечение к бетону одного класса.

25. При разгрузке усиливаемых конструкций до нагрузок, не превышающих 65% максимальных, расчетные характеристики бетона и арматуры следует принимать равными их нормативным значениям. При невозможности разгрузки конструкций и превышении указанного уровня сопротивления бетона и арматуры уменьшаются на 20%.

26. При применении комплексного усиления (бетон – металл) следует учитывать в расчетах податливость узлов сопряжения, которая при металлических упорах на бетон через слой раствора принимается в пределах 1...5 мм/узел, а при сопряжении металла с помощью болтов – 1 мм/узел.

27. Пролетный размер элементов усиления балочного типа по условиям монтажа должен быть меньше размера в свету усиливаемой конструкции на 100 мм. Для всех других элементов усиления, устанавливаемых между несмещаемыми опорами надвижкой при H ≤ 6 м, монтажный зазор должен быть не менее 50 мм.