Усиление колонн

Одним из наиболее эффективных способов усиления железобетонных колонн является устройство железобе­тонных или металлических обоим. Усиление обоймами особенно рационально для колонн с небольшой гибко­стью (λ<14). В изгибаемых элементах обоймы реко­мендуются в исключительных случаях (например, при значительной коррозии арматуры), так как усиление по всему периметру изгибаемого элемента нерационально с конструктивной точки зрения и требует значительных трудозатрат при производстве работ.

Наиболее простым типом железобетонных обойм яв­ляются обоймы с обычной продольной и поперечной ар­матурой без связи арматуры обоймы с арматурой уси­ливаемой колонны (рис. 10.38). При таком способе уси­ления важно обеспечить совместную работу «старого» и «нового» бетона, что достигается тщательной очисткой поверхности бетона усиливаемой конструкции песко­струйным аппаратом, насечкой или обработкой метал­лическими тетками, а также промывкой под давлением непосредственно перед бетонированием. Для улучшения адгезии и защиты бетона и арматуры в агрессивных ус­ловиях эксплуатации рекомендуется применение полимербетонов.

Толщина обоймы колонн определяется расчетом и конструктивными требованиями (диаметром продольной и поперечной арматуры, величиной защитного слоя и т.п.). Как правило, она не превышает 300 мм. Пло­щадь рабочей продольной арматуры также определяют расчетом, ее диаметр принимают не менее 16 мм для стержней, работающих на сжатие, и 12 мм для стерж­ней, работающих на растяжение. Поперечную арматуру диаметром не менее 6 мм для вязаных каркасов и 8 мм для сварных устанавливают с шагом 15 диаметров про­дольной арматуры и не более трехкратной толщины обоймы, но не более 200 мм. В местах концентрации напряжений шаг хомутов уменьшается.

Приместном усилении обойму продлевают за пре­делы поврежденного участка на длину не менее пяти ее толщин и не менее длины анкеровки арматуры, а также не менее двух ширин большей грани колонны, но не ме­нее 400 мм. При местном усилении для улучшения сцеп­ления «нового» и «старого» бетона рекомендуется выподнять адгезионную обмазку из полимерных материа­лов.

Рис. 10.38. Усиление колонны железобетонной обоймой: 1 — усиливаемая колонна; 2 — обойма; 3 — продольная арматура обоймы; 4 —поперечная арматура обоймы; 5 —жесткая продольная обойма; 6 — опорные уголки

Поперечная арматура железобетонной обоймы мо­жет быть выполнена в виде спиральной обмотки (рис. 10.39) из проволоки диаметром не менее 6 мм. При этом спирали в плане должны быть круглыми и охватывать всю рабочую продольную арматуру. Расстояние между ветвями спирали должно быть не менее 40 мм и не более 100 мм, оно не должно также превышать 0,2 диа­метра сечения ядра обоймы, охваченного спиралью. Бо­лее эффективны (но и более трудоемки) железобетонные обоймы, в которых обеспечивается связь существующей и дополнительной арматуры. Такие обоймы рекоменду­ются при сильном повреждении существующей арматуры или защитного слоя бетона.

Рис. 10.39. Усиление колонны обоймой со Рис. 10.40. Усиление колонны металлическими обоймами:

спиральной арма­турой;1— усиливаемая 1 — усиливаемая колонна; 2 — ветви обоймы; 3 — планки

колонна; 2 — обойма; 3 — спиральная арматура обоймы; 4 — опорный уголок

В этом случае армату­ру усиливаемой конструкции тщательно очищают до чистого металла, разрушенные хомуты восстанавливают путем пробивки в бетоне поперечных борозд, установки в них новых хомутов и соединения их с продольной ар­матурой.

Дополнительную продольную арматуру приваривают к существующей с помощью соединительных коротышей, которые во избежание пережогов выполняют из арма­туры класса A-I диаметром 10... 16 мм и располагают на расстоянии друг от друга не менее 20 диаметров про­дольной арматуры в шахматном порядке.

При невозможности выполнения замкнутой обоймы, например при примыкании колонны к стене, рекоменду­ется устройство «рубашек» — незамкнутых с одной сто­роны обетонок. При этом способе усиления необходимо обеспечить надежную анкеровку поперечной арматуры по концам поперечного сечения «рубашек». В колоннах это осуществляется путем приварки хомутов к арматуре колонн.

При усилении «рубашками» локальных поврежден­ных участков, как и при усилении обоймами, их необхо­димо продлить на неповрежденные части конструкции на длину не менее 500 мм, а также не менее длины анкеровки продольной арматуры, не менее ширины грани элемента или его диаметра и не менее пяти толщин стенки «рубашки».

По конструктивным соображениям диаметр продоль­ной и поперечной арматуры «рубашек» принимают не менее 8 мм, при вязаных каркасах минимальный диа­метр хомутов— 6 мм.

При невозможности увеличения сечения колонн и сжатых сроках производства работ по усилению реко­мендуются металлические обоймы из уголков, устанав­ливаемых по граням колонн, и соединительных планок между ними (рис. 10.40). Эффективность включения ме­таллической обоймы в работу колонны зависит от плот­ности прилегания уголков к телу колонны и от предва­рительного напряжения поперечных планок.

Для плотного прилегания уголков поверхность бето­на по граням колонн тщательно выравнивается скалы­ванием неровностей и зачеканкой цементным раствором. Предварительное напряжение соединительных планок осуществляется термическим способом. Для этого план­ки приваривают одной стороной к уголкам обоймы, за­тем разогревают газовой горелкой до 100... 120 °С и в разогретом состоянии приваривают второй конец пла­нок. Замыкание планок осуществляют симметрично от среднего по высоте колонны пояса. При остывании пла­нок происходит обжатие поперечных сечений колонны, что существенно повышает ее несущую способность.

Эффективным средством усиления нагруженных ко­лонн является устройство предварительно напряженных металлических распорок. Одно- или двусторонние рас­порки представляют собой металлические обоймы с предварительно напряженными стойками, расположен­ными с одной или двух сторон колонн (рис. 10.41).

Рис. 10.41. Усиление колонны предвари­тельно напряженными двусторонними металлическими распорками:

а —в период монтажа; б — в напряженном состоянии; 1 — крепежный монтажный болт; 2 — натяжной монтажный болт; 3 — усиливае­мая колонна; 4 — уголки распорок;.5 — упор­ные уголки; б — планка для натяжения бол­тов в месте перегиба; 7—планки-упоры; 8 — соединительные планки

Первые применяют для увеличения несущей способности внецентренно сжатых колонн с большими и малыми экс­центриситетами, вторые — для центрально и внецентренно сжатых колонн с двузначной эпюрой моментов.

Предварительно напряженные односторонние распор­ки состоят из двух уголков, соединенных между собой металлическими планками. В верхней и нижней зонах распорок приваривают специальные планки толщиной не менее 15 мм, которые передают нагрузку на упорные уголки и имеют площадь поперечного сечения, равную сечению распорок.

Планки устанавливают таким образом, чтобы они выступали за торцы уголков распорок на 100... 120 мм, и снабжают двумя отверстиями для стяжных болтов.

Упорные уголки должны быть установлены таким образом, чтобы их внутренние грани совпадали с на­ружной гранью колонн. Для этого защитный слой бето­на в верхней и нижней зонах колонны скалывают и ус­танавливают упорные уголки на цементном растворе строго горизонтально.

До установки распорок в проектное положение в бо­ковых полках уголков в середине их высоты выполняет­ся вырез и осуществляется их незначительный перегиб.

Ослабление поперечного сечения уголков в месте вы­реза компенсируется приваркой дополнительных пла­нок, в которых предусмотрены отверстия для стяжных болтов.

Предварительное напряжение распорок создается путем придания им вертикального положения за счет закручивания гаек натяжных бол­тов. При этом необходимо обеспечить плотное прилегание угол­ков к телу колонны, а также их совместную работу, объединив распорки с помощью приварки к ним металлических планок. Шаг планок принимают равным мини­мальному размеру сечения колон­ны. После приварки планок стяж­ные монтажные болты снимают, а ослабленные сечения распорок усиливают дополнительными ме­таллическими накладками.

Для эффективного включения распорок в работу достаточно создать в них предварительное напряжение порядка 40...70 МПа, что обеспечивается за счет рас­четного удлинения при выпрям­лении уголков.

При увеличении нагрузки на консоли колонн их усиливают предварительно напряженными горизонтальными или наклонны­ми тяжами (рис. 10.42).

Предварительное напряжение создается завинчива­нием гаек или взаимным стягиванием хомутов. Приме­няют также разгрузку консолей с помощью дополни­тельных металлических кронштейнов (рис. 10.43) или специальных опор в виде швеллеров (уголков), которые крепят к колонне с помощью предварительно напряжен­ных тяжей (σ_sp = 40...50 МПа).

10.43. Усиление опирания балок:

а — при короткой консоли; 6 — при длинной консоли; 1 — хомут вокруг колонны; 2 — колонна; 3 — тяжи; 4 — подклинка; 5 — подставка из отрезка двутавра: 6 — подвесная балка из швеллеpoв: 7 — гайка тяжей; 8 — упорный уголок; 9 — ригель; 10— уголковая поперечная подпорка; 11 — горизонтальные упоры из уголков; 12 — вертикальные крепежные болты

Железобетонные сжатые элементы, усиленные обой­мами, «рубашками» и наращиванием рассчитывают как монолитные. При этом учет влияния продольного изги­ба на несущую способность рекомендуется осуществлять путем расчета конструкции по деформированной схеме.

Допускается также производить расчет по недеформированной схеме, в этом случае при гибкости l ₀/ i >14 влияние прогиба на прочность учитывается путем умно­жения на коэффициент η по СНиП 2.03.01—84.

Расчетные характеристики бетона и арматуры при­нимаются с учетом коэффициентов условия работы бе­тона и арматуры γ_bi н γ_si по СНнП 2.03.01—84 и допол­нительных коэффициентов условия работы γ _bzi н γ_szi, учитывающих специфические условия работы усиленных элементов.

Изложенная ниже методика расчета правомочна в том случае, если элементы усиления плотно примыка­ют к опорным частям конструкций и обеспечена анкеровка арматуры в бетоне согласно требованиям СНиП 2.03.01—84.

Расчет сжатых элементов с двойной арматурой при прямоугольной форме сечения

Первый случай внецентренного сжатия при (рис. 10.44):

(10.46)

где N —продольная сила; е — расстояние от точки при­ложения продольной силы до оси, параллельной прямой,

Рис. 10.44. Схема усилий и эпюра напряжений в сечении, нормальном к продольной оси внецентренно сжатого элемен­та, усиленного двусторонним наращиванием, при расчете его на прочность (ξ<ξ_R)

ограничивающей сжатую зону и проходящей через центр тяжести сечения растянутого стержня, наиболее удаленного от указанной прямой, а при отсутствии рас­тянутой зоны — через центр тяжести наименее сжатого стержня; A_s,_red и A_s,red определяют по формулам (10.4) и (10.5); h_o,red=h_o+a_red; R_b,red— пo (10.9)

(10.47)

при ξ>ξ_R расчет прочности осуществляют также по формуле (10.46), а высоту сжатой зоны находят по фор­муле

(10.48)

Для элементов из бетона класса В30 и ниже с ненапрягаемой арматурой классов A-I, A-II, А-III

(10.49)

Для конструкций из бетона класса выше В30, а также для элементов с арматурой класса выше А-III (напря­женной и ненапряженной) величину х определяют из выражения

(10.50)

где

(10.51)

Значения коэффициентов α, β, а также величины σ_sc.u и σ_sPi определяют по СНиП 2.03.01—84.

При σ_s>βR_s напряжение в арматуре определяют по формуле

(10.52)

Если найденное по (10.52) σ_Si превышает R_si без учета коэффициента γ_s6, в формуле (10.48) следует подста­вить значение σ_s, равное R_si. Значения ξ_ebi и ξ_i опреде­ляют по СНиП 2.03.01—84.

Площадь дополнительной растянутой арматуры при ξ<ξ_R определяют по формуле (10.11), где

(10.53)

(10.54)

Площадь дополнительной арматуры усиления при ξ>ξ_R также определяют по формуле (10.14), где

(10.55)

(10.56)

При усилении железобетонных конструкций обоймой с косвенным армированием их расчет производят по CНиП 2.03.01—84 с учетом коэффициентов условия ра­боты по табл. 10.4.

■ Пример расчета внецентренно сжатого сечения. Дано: разме­ры сечения усиленного элемента b =0,6 м; h =0,8 м; бетон усилива­емого элемента класса В15 (R_b=8,5 МПа); высота наращивания x ₂=0,1 м; бетон усиления класса В20 (R_b,ad=11,5 МПа); h _о =0,66 м; h _0,ad=0,76 м; a = a '=0,04 м; арматура усиливаемого эле­мента вида А-II R_s = R_sc =280 МПа (4ø18, А_s= =1028 мм²); арматура усиливающего элемента вида A-III R_s,ad = R_sc,ad = 365 МПа; A _s,ad=1256 мм^а (4ø20), A_{s ,ad}=942 мм² (3ø20).

Внецентренная нагрузка на элемент N=1000 кН; е=0,8 м (см. рис. 10.44).

Усиление железобетонного элемента осуществлялось при пер­воначальном загружении усиливаемого элемента, превышающем 65 % от разрушающей нагрузки, следовательно, коэффициент ус­ловий работы усиленной конструкции γ_br1= γ_sr1=0,8.

Расчет. Определяем

Расстояние от сжатой грани усиленного элемента до общего центра тяжести растянутой арматуры

h_o,red = h_o + a_red = 660 + 67 = 727 мм.

Относительная высота сжатой зоны бетона

Определяем

где ω=α—0.008R_b=0,85—0,008 ·11,5·0,8 = 0,7764.

Тогда

ξ<ξ_R

Расчетное сопротивление сжатой зоны усиленного элемента

A_b,ad=bx-A_b; A_b,tot=A_b+A_b,ad;

x₁=x – x² ; A_b=0,6(x – 0,1);

A_b,ad=0,6x – 0,6(x – 0,6)=0,06 м²;

A_b,tot=[0,6(x – 0,1)+0,06] м²

Высота сжатой зоны

x=280,14 мм

Определяем несущую способность элемента:

Таким образом, несущая способность усиленного элемента до­статочна.

Особенности расчета колонн, усиленных металлическими элементами

Совместная работа железобетонного элемента и ме­таллической обоймы учитывается при условии упора ветвей обоймы в перекрытия и в случае их приварки к опорным закладным деталям. Расчет металлической обоймы выполняют как самостоятельной системы по СНиП II-23—81, при этом гибкость продольных элемен­тов принимают с учетом их упора в усиливаемый желе­зобетонный элемент в местах расположения поперечных планок.

При отсутствии контакта между железобетонным эле­ментом и металлической обоймой расчет последней осу­ществляют как стальной колонны в соответствии со СНиП II-23—81.

Предварительно напряженные распорки (см. рис. 10.41) разгружают существующую колонну на величи­ну созданного в них усилия сжатия. Расчет предвари­тельно напряженных распорок осуществляется также по СНиП II-23—81, при этом гибкость ветвей определя­ется по расчетной длине от места перегиба до упора в бетон. Если в момент усиления на колонну действует полная нагрузка, усилие в распорке равно σ_sbA_cb, где A_cb — площадь поперечного сечения распорок. После передачи усилия обжатия распорки рассчитывают по полному поперечному сечению, так как ослабленные ме­ста усиливаются накладками.

В центрально сжатых колоннах распорки рассматри­вают как дополнительную арматуру со своим расчетным сопротивлением.

Во внецентренно сжатых колоннах устанавливать распорки в растянутой зоне не рекомендуется, а при ус­тановке их по конструктивным соображениям они не учитываются в расчетах.