При проведении реконструкции здания могут потребоваться:
• перестройка самого здания с изменением планировочных решений и увеличением свободного пространства, увеличением высоты этажа или всего здания, а также с возможной надстройкой здания;
• изменение функционального назначения всего здания или его отдельных зон с одновременным увеличением нагрузок от нового оборудования или изменением их расположения;
• изменение условий эксплуатации конструкций.
Необходимость восстановления несущей способности конструкций возникает вследствие:
• ошибок, допущенных при проектировании, возникающих из-за несоответствия расчетной схемы работе существующего здания, из-за недостаточного армирования, неправильного расположения арматуры, применения новых, не полностью исследованных, конструкций и конструктивных решений;
• ошибок при выполнении конструкций: применения бетона более низкого класса; ненадежного сцепления арматуры с бетоном; неверного стыкования арматуры и несоблюдения ее проектного положения; недостаточного уплотнения бетона с возникновением раковин и полостей; малой длины опирания сборных конструкций; повреждений при монтаже;
• химической агрессии и естественного износа конструкции, в результате которых происходит коррозия арматуры, а иногда и бетона, сопровождающаяся увеличением объемов продуктов коррозии, из-за чего разрушается защитный слой бетона и уменьшается площадь сечения арматуры;
• неравномерных осадок основания, вызывающих перенапряжение отдельных элементов или сечений;
• повреждения конструкции при нарушении режима эксплуатации, приводящего к перегрузке конструкций, механическим повреждениям;
• повреждений в результате аварий, пожаров и стихийных бедствий, когда возможно частичное или полное разрушение конструкций, а также снижение прочностных характеристик материалов.
Необходимость в усилении конструкций выясняется после проведения детального технического обследования, а в некоторых случаях и испытания конструкций, проведения поверочных расчетов с учетом выявленных дефектов и повреждений.
Применяемые способы усиления железобетонных конструкции можно разделить на две группы (схема 11.7.1).
Схема 11.7.1
Классификация способов усиления и ремонта каменных конструкций
Разгружение конструкций: мероприятия, направленные на полную или частичную передачу нагрузки на усиливающие конструкции и выключающие из работы часть существующих элементов здания. Разгружающие конструкции представляют собой систему палок, в основном металлических, воспринимающих новую увеличенную нагрузку и передающих ее через свои опоры тем существующим несущим элементам, которые могут воспринять увеличенную нагрузку.
Этот способ реконструкции прост, но не всегда рационален, так как существующие конструкции практически не используются, при этом новые конструкции уменьшают полезную площадь помещений и их габариты.
Увеличение несущей способности существующей конструкции осуществляется по двум основным направлениям:
• усиление без изменения первоначальной конструктивной схемы элемента при помощи увеличения сечения усиливаемого элемента, что достигается устройством:
• накладок, односторонних или двухсторонних, наращивания железобетоном, металлом или углепластиком;
• железобетонных рубашек или обойм.
Одновременно может осуществляться добавление продольной и поперечной арматуры; усиление железобетонных конструкций с изменением первоначальной конструктивной схемы элемента может касаться самой расчетной схемы конструкции или ее напряженно- деформированного состояния и достигается это при помощи:
• приведения к неразрезности на опорах;
• введения дополнительных жестких или упругих опор;
• напряженных металлических распорок;
• предварительно напряженных горизонтальных или шпренгельных тяжей;
• предварительно напряженных шарнирно-стержневых цепей;
• металлических кронштейнов и выносных опор.
Эти мероприятия изменяют первоначальную конструктивную схему таким образом, что повышается несущая способность конструктивных элементов здания или здания в целом.
Разгружающие конструкции (рис. 11.7.1) представляют собой отдельные стойки, балки, плиты, фермы, рамы, подкосы, подведенные под усиливаемую конструкцию или устанавливаемые сверху и работающие с ней совместно. Они принимают на себя всю или часть нагрузки, приходящейся на усиливаемый элемент, и передают ее на недогруженные элементы сооружения или на собственные опоры и фундаменты. Разгружающие балки могут опираться на существующие колонны, для чего в них устраивают специальные металлические или железобетонные опорные консоли.
Не омоноличиваемые вместе с усиливаемой конструкцией усиления, являющиеся для нее разгружающими системами, следует рассматривать как самостоятельные конструкции или составные конструктивные системы, частью которых является усиливаемым конструктивный элемент. Для обеспечения совместной работы разгружающих систем и усиливаемой конструкции между ними должны быть предусмотрены предварительно напряженные связи (рис. 11.7.1, г, е), а также распорки, клинья, подчеканки или другие устройства, которые должны передавать нагрузку на конструкции усиления. При этом конструкция усиления должна воспринимать не менее 30% усилия, действующего в усиливаемой конструкции.
Рис. 11.7.1. Схемы усиления подведением разгружающих конструкций: а, б - подведение разгружающих стоек; в - подведение разгружающих портальных рам; г - подведение разгружающих подкосов; д - подведение разгружающих балок, передающих нагрузку на дополнительно устраиваемые консоли колонн; е - разгружающие кронштейны; 1-усиливаемая конструкция;2 - разгружающая стойка из прокатной стали (труба, двутавр); 3 - опорный элемент из швеллера, уголка; 4 - стальные клинья для включения конструкции усиления в работу; 5 - нижняя опора стойки (база стойки); 6 - дополнительные опоры в виде портальной рамы из прокатного металла; 7- стальные подкосы; 8 - затяжка с натяжной муфтой; 9 - металлические прокладки на графитовой смазке; 10 - обойма, устраиваемая па существующей колонне (металлическая или железобетонная); 11,14- существующая колонна; 12 - разгружающая стальная балка; 13 - опорные консоли на колоннах в виде железобетонных или металлических обойм; 15 - разгружающий кронштейн из стали; 16- опора кронштейна; 17- опорное устройство с натяжным болтом; 18 - поперечные связи
При усилении (рис. 11.7.1, а) усиливаемая изгибаемая конструкция из однопролетной становится двухпролетной, неразрезной с максимальным изгибающим моментом над дополнительной опорой, который в четыре раза меньше момента до усиления. В этом случае необходимо рассчитать усиливаемую конструкцию на восприятие ею опорного момента, т.е. над дополнительной опорой верхняя часть сечения будет растянута, и в случае необходимости надо увеличить количество арматуры в этой зоне. Если такое решение осуществить невозможно, принимается, что над дополнительной опорой образуется шарнир, и усиливаемая конструкция рассчитывается как состоящая из двух частей с шарнирным опиранием на опоры.
Усиление изгибаемых конструкций подведением разгружающих портальных рам (рис. 11.7.1, в), подкосов (рис. 11.7.1, г) осуществляется в случае, если можно использовать свободное пространство под конструкциями усиления. При усилении способами, приведенными на рис. 11.7.1, г, е, уменьшается расчетный пролет усиливаемой конструкции и, следовательно, снижаются расчетные изгибающие моменты. Разгружающие кронштейны (рис. 11.7.1, е) представляют собой треугольные фермы, устанавливаемые на средних опорах сборных конструкций, уменьшающие их пролет и воспринимающие часть поперечной нагрузки.
При усилении способом подведения портальных рам из металла (рис. 11.7.1, в) изменяется расчетная схема, и усиливаемая конструкция после усиления работает на действие дополнительной нагрузки как трехпролетная неразрезная балка.
Элементы разгружения (рис. 11.7.1, а...г, е) - дополнительные опоры, подкосы, стойки рам, опорная стойка кронштейна - работают как сжатые элементы, а кронштейн и затяжка - как растянутые.
Широко применяются способы усиления железобетонных элементов посредством увеличения их поперечного сечения (рис. 11.7.2). Такое усиление возможно при наличии надежной связи нового бетона или элементов наращивания (стальных листов, углепластиковых холстов, ламинатов) со старым бетоном по поверхности их соприкосновения. Связь нового и старого бетонов обеспечивается соблюдением следующих требований: укладка свежего бетона производится на чистую, шероховатую, влажную поверхность старого с обязательным тщательным вибрированием, а в случае применения суперпластифицирующих добавок - без вибрирования. В некоторых случаях, когда обеспечить требуемые условия сцепления нет возможности из-за плохого качества старого бетона, необходимо снятие поврежденного слоя старого бетона и обеспечение восприятия сдвигающих сил по контактной поверхности приваренными арматурными коротышами или железобетонными шпонками.
Увеличение поперечного сечения железобетонных элементов осуществляется односторонним или двухсторонним наращиванием, устройством обойм, рубашек.
Железобетонные обоймы и рубашки, а также одностороннее или двухстороннее наращивание применяются как для центрально сжатых, так и для внецентренно сжатых и изгибаемых элементов.
При усилении наращиванием дополнительной ненапрягаемой арматурой, обоймами и рубашками следует стремиться к максимальной разгрузке усиливаемой конструкции. При усилении конструкций под нагрузкой рекомендуется в основном применять предварительно напряженные элементы усиления.
Рис. 11.7.2. Усиление железобетонных элементов способом увеличения поперечного сечения: а - наращивание изгибаемых элементов снизу; б - наращивание изгибаемых элементов сверху; в - установка внешней листовой арматуры на полимерном растворе; г - наклейка углепластиковых холстов или ламинатов; д - устройство железобетонной обоймы в сжатых элементах; е - устройство железобетонной обоймы с косвенным армированием; ж - ж/б обойма; з - ж/б рубашка; и - обойма из углепластиковых холстов; 1 -усиливаемая конструкция; 2 - железобетонное наращивание; 3 - продольная арматура усиления; 4 - арматурные отгибы или пластины; 5 - оголенная арматура элемента (участки с шагом 1 м); 6 - стальной лист (длина назначается в соответствии с эпюрой моментов); 7 - стальные анкерные связи; 8 - адгезионная обмазка из полимерраствора; 9 - гнезда, высверленные в конструкции; 10 - ж/б обойма; 11 - продольная арматура; 12 - хомуты; 13 - поперечная косвенная арматура (спираль); 14- бетон усиления; 15 - арматура усиления; 16 - углепластиковые холсты или ламинаты; 17 - поверхность элемента, подготовленная для наклейки холстов; 18 – углепластиковые холсты, обеспечивающие надежность связи и одновременно усиливающие элемент на поперечную силу
Наращивание сечений в растянутой (рис. 11.7.2, а) или сжатой (рис. 11.7.2, б) зонах, когда дополнительная продольная арматура приваривается к обнаженной продольной арматуре усиливаемого элемента через коротыши - планки или наклонные стержни - «утки» (с одной или с двух сторон). Приварка к незаведенным на опору арматурным стержням не допускается. Диаметр коротышей принимается равным 10...40 мм, длина - 50...200 мм, шаг коротышей - 200... 1000 мм для растянутых стержней и не более 20 диаметров продольной арматуры для сжатых. Дополнительная арматура применяется до класса А500 включительно. После объединения арматурных стержней производится обетонирование усиленной конструкции снизу или сверху.
Наращивание сечения можно проводить установкой внешней листовой арматуры на полимерном растворе (рис. 11.7.2, в). При этом способе необходимо предварительно подготовить нижнюю поверхность конструкции, просверлить гнезда под анкерные связи и закрепить связями на полимерном растворе стальной лист. После этого выполнить антикоррозионное покрытие стали.
Кроме стальных элементов для усиления железобетонных изгибаемых конструкций способом наращивания рекомендуется применять наклейку на растянутую зону углепластиковых холстов или ламинатов (рис. 11.7.2, г). Основные преимущества такого способа заключаются в очень высокой прочности холстов и ламинатов на растяжение, устойчивости к воздействию щелочей и отсутствии коррозии при очень малой толщине (1...2 мм), плотность материала в пять раз ниже плотности стали. Перед наклеиванием необходимо подготовить поверхность, на которую производится наклейка. Поверхность подвергается пескоструйной, гидроабразивной обработке или шлифованию для удаления загрязнений, масляных пятен и слабых фрагментов основания. Поверхность должна быть выровнена специальными составами, поры и трещины заделаны.
Обойма (рис. 11.7.2, д, е, ж, и) представляет собой конструктивное решение, при котором усиливаемый элемент (колонна, балка) охватывается с четырех сторон железобетоном с установкой продольной рабочей и поперечной (хомутов) арматуры. При усилении элементов железобетонных конструкций обоймами поперечное армирование обойм следует конструировать замкнутым. Железобетонные обоймы со спиральным армированием (рис. 11.7.2, е) применяют, как правило, для центрально сжатых элементов. Обойма со спиральным армированием и усиливаемый элемент рассматриваются при расчете как монолитная конструкция. При выполнении обоймы из углепластиковых холстов (рис. 11.7.2, и) необходимо тщательно подготовить поверхность бетона, срезать и выровнять углы под радиус 10 мм.
Рубашка (рис. 11.7.2, з) - усиливаемый элемент охватывается с трех сторон железобетоном. Поперечная арматура (хомуты) приваривается в этом случае к существующим хомутам усиливаемой конструкции. Рубашки устанавливают по всей длине поврежденного участка железобетонного элемента с перепуском на неповрежденные части на длину не менее: длины анкеровки рабочей арматуры рубашки, пяти толщин рубашки, поперечного размера ширины грани или диаметра усиливаемого элемента (но не менее 500 мм). При трехсторонних рубашках хомуты следует замыкать или соединять сваркой со специальными анкерами (уголки, полосовая сталь и т.д.). На свободной стороне элемента предусматриваются защитные мероприятия против коррозии.
В тех случаях, когда восстановление поврежденных элементов осуществляется бетонированием и последующим оштукатуриванием трещин и сколов, необходимо предусматривать расчистку поврежденных участков от разрушенного бетона с вырубанием полостей, подлежащих бетонированию до прямоугольной формы. При этом основные грани полости должны быть по возможности перпендикулярны к направлению действующих усилий, а остальные грани параллельны этому направлению. Механические повреждения при расчистке сохранившейся арматуры не допускаются.
Продольная арматура в необходимых случаях может быть пропущена через узлы неразрезных монолитных или сборно-монолитных конструкций. Независимо от этого хомуты обойм в узлах в целях восприятия местных напряжений следует устанавливать с шагом, уменьшенным вдвое, как при обоймах со спиральным, так и с обычным поперечным армированием. На опорах балок следует усыновить замкнутые обоймы, трехсторонняя рубашка допустима лишь при ее устройстве по всей длине балки.
При устройстве обойм, рубашек и наращивании бетона кроме вышеуказанных расчисток и подрубок следует предусматривать для обеспечения надежного сцепления нового и старого бетонов подготовку поверхности бетона усиливаемой конструкции насечками, зачисткой стальными щетками, пескоструйной и гидроабразивной очисткой, промывкой водой и т.п.
Для бетонирования наращиваемой части, рубашки или обоймы следует применять бетон прочностью не ниже фактической прочности бетона усиливаемого элемента и не ниже класса В15.
Применение арматурных стержней диаметром менее 12 мм для усилений наращиванием, рубашек или обойм не рекомендуется. Для поперечной арматуры диаметр стержней должен быть не менее 8 мм. Рекомендуется устанавливать продольную (рабочую) арматуру диаметром не менее 16 мм в сжатых и 12 мм в растянутых зонах, шаг хомутов рекомендуется принимать не более 15 диаметров рабочей арматуры, не более трехкратной толщины обоймы и не более 200 мм.
Увеличение несущей способности с изменением первоначальной конструктивной схемы заключается в устройстве:
• дополнительных жестких или упругих опор (рис. 11.7.3, а, в, г);
• регулировочных приспособлений на опорах (рис. 11.7.3, е, 11.7.3, а);
• регулировочно-разгрузочных натяжных и распорных конструкций (рис. 11.7.3, б...е).
Дополнительные опоры, выполняемые в виде отдельных стоек (рис. 1.7.1, а), жестких портальных рам (рис. 1.7.1, в), подкосов (рис. 1.7.1, г), изменяют первоначальную статическую схему конструкции, являясь одновременно разгружающими конструкциями.
На промежуточных опорах многопролетных разрезных изгибаемых элементов возможно создание неразрезности (рис. 11.7.3, а), которая осуществляется приваркой дополнительной арматуры к оголенной арматуре усиливаемых элементов и установкой расклинивающих стальных пластин в шов между элементами. Этот способ необходимо осуществлять при максимальной разгрузке усиливаемой конструкции.
Рис. 11.7.3. Схемы усиления элементов изменением расчетной схемы и напряженного состояния: а - создание неразрезной системы; б - преднапряженные элементы из прокатной стали; в - шпренгельные затяжки; г - затяжки из арматурной стали; д - шарнирно-стержневые цепи; е - установка двусторонних распорок; 1 -усиливаемая конструкция; 2 - колонна; 3 – оголенная верхняя арматура конструкций; 4 - соединительный стержень на сварке; 5 - шов между конструкциями, расклиниваемый стальными пластинами; 6 - усиливающий элемент из швеллера; 7 - затяжка для создания выгиба усиливающего элемента; 8 - рифы из арматурных стержней, приваренные через 100…150 мм к стенке швеллера (свободное пространство заполняется мелкозернистым бетоном для создания сцепления); 9 - хомуты; 10 - уголок-планка; 11 – гайка для поджатия концов усиливающего элемента; 12 - преднапряженный шпренгель из арматурной или прокатной стали; 13 – опорное устройство; 14 - распорки; 15 - стяжной хомут; 16 - преднапряженная затяжка из арматурной стали; 17 - оголенная (обычная) арматура конструкции; 18 - арматурные коротыши; 19 - натяжное устройство; 20 - шарнирно-стержневая цепь, состоящая из двух уголков или стержней; 21 -стойки из швеллера или двутавра; 22 - опорные детали из швеллера; 23 - пластина с отверстием для подвески натяжного груза; 24 - распорки из уголков и планок; 25- натяжные монтажные болты; 26 – соединительные планки, привариваемые после установки распорок; 27 - упорные элементы; 28 - накладки, наваренные на места выреза полок уголков распорок
Дополнительные предварительно напряженные стальные профильные элементы или арматура могут быть (рис. 11.7.3, б...г):
- в виде прямолинейных стержней, привариваемых к продольной арматуре усиливаемого ненапряженного элемента (рис. 11.7.3, б, г);
- в виде шпренгельной системы (рис. 11.7.3, в);
- в виде шарнирно-стержневой цепи (рис. 11.7.3, д).
При устройстве преднапряженных затяжек (горизонтальных, шпренгельных или комбинированных) усиливаемые элементы изменяют свою первоначальную конструктивную схему. Благодаря этому обычные изгибаемые элементы становятся внецентренно сжатыми. На их опорах создаются дополнительные изгибающие моменты, которые влияют на первоначальные пролетные моменты.
Для включения элементов усиления в совместную работу с усиливаемыми конструкциями применяется предварительное напряжение элементов усиления, которое осуществляется механическим или электромеханическим способом. Основными элементами усиления в этих способах являются тяжи, выполняемые из двух арматурных стержней диаметром до 36 мм из арматуры классов А240... А600 или из прокатных уголков или швеллеров. Концы тяжей, соединяясь на опорах с усиливаемой конструкцией при помощи сварки (рис. 11.7.3, г) или специальных опорных устройств (рис. 11.7.3, б, в), передают им свои реактивные усилия, создавая сжатие в усиливаемых элементах, тогда как сами тяжи всегда растянуты.
При усилении конструкций шарнирно-стержневой цепью (рис. 11.7.3, д) усиливаемой конструкции сообщается контр-нагрузка в виде ряда сосредоточенных сил. Усиливаемая конструкция превращается в комбинированную статически неопределимую систему и воспринимает нагрузку, прикладываемую после усиления. Этот способ можно рекомендовать для конструкций, загруженных почти полной нагрузкой, но имеющих различные дефекты. В этом случае усилия в элементах цепи и степень разгружения предопределяется предварительным натяжением цепи. Основными элементами усиления являются: шарнирно-стержневая цепь; стойки из прокатного металла, опорные устройства.
Очертание цепи принимают таким, что тангенсы углов наклона ее звеньев, начиная от середины, относятся как 1:3:5 и т.д. В этом случае усилия во всех подвесках одинаковые, т.е. сосредоточенные силы, передающиеся на усиливаемую конструкцию в местах установки стоек, одинаковы и расположены равномерно по длине конструкции.
Преднапряжение создается подвеской к среднему узлу тарированного груза с последующей фиксацией положения узла при помощи гаек или прокладок.
Предварительно напряженные металлические распорки (рис. 11.7.3, е) применяются для усиления сжатых элементов (колонн, стоек) и представляют собой конструкции из стальных уголков, расположенных вдоль граней по углам, соединенных между собой по периметру приваренными после создания в них предварительного напряжения стальными планками из листового металла.
Усиление плит монолитных железобетонных покрытии и перекрытий может выполняться следующими способами:
• устройством поверху дополнительной монолитной железобетонной плиты, армированной противоусадочной сеткой, а при необходимости арматурой над опорами балок, работающей на отрицательный момент (рис. 11.7.4, а). Усиленная конструкция рассчитывается с усилением как монолитная в случае обеспечения надежного сцепления старого бетона с новым. Сцепление между старым и новым бетоном обеспечивается: очисткой поверхности от пыли, длительным увлажнением старого бетона до бетонирования или для увеличения сцепления бетона плиты с бетоном наращивания после очистки поверхности старого устанавливаются арматурные гнутые стержни (рис. 11.7.4, б). Они объединяются с существующей арматурой плиты и устанавливаются в вырубленные участки полок плиты. В любом варианте необходим тщательный уход (увлажнение) за новым бетоном;
Рис. 11.7.4. Способы усиления монолитных железобетонных плит покрытий и перекрытий
• приваркой дополнительной рабочей арматуры снизу и торкретированием нижней поверхности плиты (рис. 11.7.4, в). При этом расчет производится как для монолитной плиты с увеличением количества пролетной рабочей арматуры;
• подведением поперечных балок (рис. 11.7.4, г) с изменением расчетной схемы плиты с балочной на опертую или заделанную по контуру. Расчет усиления плиты ведется по новой статической схеме как опертой (или защемленной по контуру) с учетом рабочей и распределительной арматуры.
При необходимости усиления балок одновременно с усилением плиты в монолитных перекрытиях можно применять способы увеличения поперечного сечения, такие как устройство железобетонных обойм (рис. 11.7.2, ж) и железобетонных рубашек (рис. 11.7.2, з). Выполнение этих способов осуществляется обетонированием балок одновременно с плитой в подвесных опалубках сквозь короткие щели, пробитые в старой плите по боковым граням балок.
Ребристые плиты покрытий и перекрытий усиливают:
• подведением дополнительных металлических опор, уменьшающих пролет продольных несущих ребер плит (рис. 11.7.5, а). Этот метод можно применять при возможности установки дополнительной опоры без нарушения режима эксплуатации помещения;
• установкой дополнительной арматуры в растянутой зоне продольных и поперечных ребер с последующим их обетонированием (рис. 11.7.5, б). Расчет конструкций, усиленных этим методом, проводится как монолитных по приведенным характеристикам сечения. Класс бетона принимается не менее класса бетона усиливаемого элемента и не менее В15. Класс арматуры не менее А300;
• наращиванием сжатой зоны плиты монолитным железобетоном (рис. 11.7.5, в, г). При использовании этого метода необходимо обеспечить надежное сцепление старого бетона с новым аналогично усилению монолитных плит;
• установкой преднапряженных шпренгельных конструкций (рис. 11.7.5, д), выполняемых в виде одноветвевых или двухветвевых шпренгелей. Такие решения целесообразно применять, если они не нарушают интерьер помещений;
• установкой дополнительного арматурного каркаса в шов между плитами (рис. 11.7.5, е) (при расширенном шве устанавливаются два плоских каркаса) с последующим бетонированием швов;
• подведением стальных разгружающих балок (рис. 11.7.5, ж), которое может быть применено также как временное мероприятие для разгружения усиливаемых ребристых плит методами наращивания сжатой или растянутой зоны с целью обеспечения включения в работу элементов усиления;
• двухконсольными стальными балками (рис. 11.7.5, з), создающими выносные опоры, чем уменьшается расчетный пролет плит. Выносные опоры предварительно напрягаются (домкратом или подвесным грузом с подклинкой). После подклинки усиливаемой конструкции предварительное натяжение снимается. Усилие преднапряжения должно быть наибольшим, но не должно отрывать или поднимать плиты (т.е. не должно превышать собственной массы и прочности крепления плит);
• введением дополнительных опорных конструкций, когда смещение осей колонн каркаса может привести к перекосу ригеля и смещению опирающихся на них плит перекрытий. В этом случае устраивают дополнительные выносные опорные столики, которые опираются и крепятся к стропильной конструкции. Опорные угловые столики необходимо усиливать ребрами жесткости. Для включения столиков в работу их подчеканивают или подклинивают. При ригеле прямоугольного сечения для крепления опорного столика устраивают металлический хомут.
Рис. 11.7.5. Способы усиления сборных железобетонных ребристых плит
Сборные железобетонные многопустотные панели перекрытий с круглыми или овальными пустотами целесообразно усиливать, используя части пустот, в которые (после пробивки верхней полки) укладывают дополнительные арматурные каркасы, после чего пустоты бетонируют. При этом утолщение плиты бетонированием сверху необязательно, его необходимость определяется расчетом, выполняемым с учетом совместной работы плиты с конструкцией усиления (рис. 11.7.6, а), а также увеличенной постоянной нагрузкой от бетона заполнения пустот. Дополнительные арматурные каркасы устанавливают через две пустоты.
Рис. 11.7.6. Способы усиления сборных железобетонных многопустотных панелей перекрытий: а – бетонированием пустот с использованием дополнительных арматурных каркасов; б – то же, с использованием стальных двутавровых балок; в – усиление опорных частей пустотных плит
Вместо арматурных каркасов можно использовать стальные двутавровые балки (рис. 11.7.6, б), которые также устанавливаются в пустоты через пробитые верхние полки на всей длине плиты с заведением балок на опоры и последующим бетонированием вскрытых пустот. Для заполнения пустот используется мелкозернистый пластичный бетон не ниже класса бетона усиливаемой плиты.
Усиление опорных частей пустотных плит при недостаточной площадке опирания рекомендуется осуществлять установкой общих вертикальных каркасов в предварительно пробитые отверстия приопорных зон смежных плит и последующим бетонированием каналов с дополнительно установленной арматурой (рис. 11.7.6, в). В этом случае плиты работают как неразрезные конструкции на нагрузку, приложенную после усиления. Верхняя арматура дополнительных каркасов должна быть рассчитана на опорный момент от нагрузок, приложенных после усиления. Для крайних опор арматурные каркасы устанавливаются с выносом их за торцы плит на требуемую длину, далее устанавливаются вертикальные каркасы параллельно торцам плит. После этого производится бетонирование так называемой анкерной балки за торцами плит и опорных участков пустот.
Для усиления колонн применяется несколько типов обойм (металлических, железобетонных, углепластиковых), которые отличаются между собой материалом, конструктивными особенностями, технологией производства работ и эффективностью.
Одним из наиболее известных типов железобетонных обойм являются обоймы из обычной продольной и поперечной арматуры (рис. 11.7.2, д) без связи обоймы с арматурой усиливаемой колонны. Перед бетонированием обоймы необходимо обязательно произвести подготовку поверхности усиливаемой конструкции (выполнить насечку бетона и промыть его струей воды). Толщина обоймы колонны зависит от степени усиления и обычно не превышает 300 мм, но не должна быть менее 70...80 мм. Класс бетона обоймы принимается по классу бетона усиливаемой колонны, но не ниже В25. Для улучшения адгезии и защиты бетона и арматуры усиливаемой колонны в агрессивных условиях эксплуатации рекомендуется применять полимербетоны. Площадь продольной арматуры обоймы определяется расчетом, но ее диаметр должен быть не менее 16 мм для сжатых и 12 мм - для растянутых зон. Поперечная арматура принимается диаметром не менее 6 мм и устанавливается с шагом 15 диаметров продольной арматуры, но не более трехкратной толщины обоймы и не более 200 мм. В местах возможной концентрации напряжений шаг хомутов должен быть уменьшен вдвое.
Железобетонные обоймы могут быть выполнены с поперечной арматурой в виде спиральной обмотки из проволочной арматуры (рис. 11.7.2, е), которые обладают повышенной несущей способностью при центральном сжатии. При конструировании обойм должны соблюдаться следующие условия:
• спирали в плане должны быть круглыми, выполненными из арматуры класса AI, диаметром не менее 6 мм;
• расстояние между нитками спирали в осях должно быть не менее 40 мм, не более 1/5 диаметра сечения ядра обоймы, охваченного спиралью, и не более 100 мм;
• спирали должны охватывать всю рабочую арматуру колонны.
По углам усиливаемой колонны бетон скалывают до арматуры, спираль навивают по этим стержням с креплением к дополнительным вертикальным стержням, устанавливаемым около каждой грани колонны. Толщина обоймы определяется диаметром ядра внутри спирали, но принимается не менее 70 мм.
При невозможности выполнения замкнутой обоймы (примыкание колонны к стене) усиление колонн может производиться односторонним, двухсторонним или трехсторонним наращиванием (рубашками). Армирование наращиваний состоит из продольной и поперечной арматуры. Особое внимание следует уделять анкеровке поперечной арматуры по концам поперечного сечения наращиваний. При усилении колонн хомуты должны привариваться к хомутам усиливаемой колонны.
Расстояние между существующей и дополнительной арматурой обеспечивается приваркой последней к стержням первой через коротыши или через специальные приварки - «утки» - отгибы, косые хомуты, прямые хомуты и соединительные планки; приварка производится через 500...1000 мм по длине стержня швами длиной 50...100 мм.
Усиление центрально сжатых железобетонных элементов можно проводить наклейкой по периметру колонн и стоек углепластиковых холстов (рис. 11.7.2, и), создающих «эффект обоймы» по типу косвенного армирования, что позволяет увеличить прочность бетона как минимум на 40%. Перед наклейкой необходимо подготовить поверхность бетона пескоструйной очисткой или шлифованием. Бетон должен быть чистым, без пятен от масел и смазок, сухим, без слабых мест, также необходимо отшлифовать углы колон под радиус не менее 10 мм. Холсты при установке на конструкции утапливаются в полимерный клей - матрицу, обеспечивающую их плотное прилегание к поверхности. Для наклейки используются специальные эпоксидные составы, обеспечивающие надежное сцепление с основанием. В зависимости от количества наклеиваемых слоев углеродной ткани несущая способность колонн может быть восстановлена в первоначальном объеме либо увеличена.
При усилении центрально и внецентренно сжатых колонн под нагрузкой рекомендуется устраивать предварительно напряженные металлические распорки (рис. 11.7.7). Конструкция распорки состоит из двух уголков (минимум уголок 75), связанных между собой приваренными соединительными планками из листового металла. Вверху и внизу каждого уголка распорки необходимо приварить специальные планки, посредством которых распорка передает нагрузку при монтаже, натяжении и эксплуатации на упорные уголки «воротника». Упорные планки распорок выполняются из полосовой или листовой стали и должны быть не тоньше 15 мм, а по площади соответствовать сечению распорок. Планки выступают за грани уголков распорок на 100... 120 мм и имеют в выпусках отверстия для пропуска монтажных болтов.
Монтаж распорок производят с перегибом их в середине высоты. Для облегчения перегиба в боковых полках уголков необходимо предусмотреть вырезы.
Рис. 11.7.7. Усиление колонн предварительно напряженными распорками: а – центрально сжатых; б – внецентренно сжатых
Площадь поперечного сечения распорок в этих местах возмещается приваркой специальных планок, которые одновременно используют для установки натяжных болтов. Смонтированные и плотно подогнанные распорки имеют перегибы. Для создания предварительного напряжения сжатия распорки необходимо выпрямить после их монтажа, т.е. придать им вертикальное положение и обеспечить плотное прилегание к усиливаемой колонне. Достигается это посредством закручивания гаек натяжных болтов, а также выравниванием поверхности колонны. Величина прогиба в середине длины распорок определяется в зависимости от требуемого преднапряжения. За оптимальную величину предварительного напряжения распорок рекомендуется принимать 6...8 кН/см². Преднапряжение в обойме можно также осуществить термическим способом, нагревая планки до температуры 100... 120 °С.
Несущая способность колонн, усиленных преднапряженными распорками, повышается, так как распорки и колонна работают совместно. Совместность работы достигается предварительным напряжением распорок, которое разгружает колонну на величину, равную созданному в распорках усилию сжатия.
Для внецентренно сжатых колонн (рис. 11.7.7, б) распорки могут проектироваться односторонними, устанавливаемыми только в сжатой зоне, и двухсторонними. При устройстве двухсторонних распорок во внецентренно сжатых колоннах распорки, установленные в растянутой зоне, в расчете не учитываются.
Усиление консолей колонн может производиться металлическими конструкциями по схеме на рис. 11.7.8, а, а также накладными и горизонтальными преднапряженными тяжами (рис. 11.7.8, в), преднапряжение в которых осуществляется стягиванием ветвей хомутов. Хомуты устанавливаются горизонтально по периметру консоли. Хомуты устанавливаются горизонтально по периметру консоли.
Рис. 11.7.8. Способы усиления консолей колонн
При использовании решения, приведенного на рис. 11.7.8, а, опоры из швеллеров привариваются к оголенной рабочей арматуре колонны с последующим восстановлением защитного слоя. На опоры устанавливаются столики