Методичка и пособия / Усиление ЖБ колон

Усиление железобетонных колонн

.Усиление железобетонных колонн может быть выполнено с помощью железобетонной или металлической обоймы, а также двусторонних металлических распорок (рис.61).

 

Рис.61. Способы усиления железобетонных колонн: а – железобетонной

обоймой с обычной арматурой; б - металлическим каркасом; в - двусторонними металлическими распорками

1 – усиливаемая колонна; 2 –обойма железобетонная; 3- продольная арматура обоймы; 4- поперечная арматура обоймы; 5- жесткая продольная обойма металлического каркаса; 6-металлические ветви обоймы; 7-планки обоймы; 8-опорный уголок; 9-крепежный монтажный болт; 10 - натяжной монтажный болт; 11- уголки распорок; 12- планка для натяжения болтов в месте перегиба

  Толщина железобетонной обоймы (рис.61, а) определяется расчетом в зависимости от диаметров усиливаемой арматуры и величины защитного слоя. Обычно она составляет 200-300 мм. Шаг поперечной арматуры при диаметре 6-8 мм принимают не более 200 мм. Для улучшения адгезии и защиты бетона и арматуры в агрессивных условиях эксплуатации рекомендуется использовать полимербетон. Класс бетона принимают на марку выше, чем класс бетона старого бетона.

Металлическая обойма (рис.61, а) состоит из 4-х стоек углового профиля, соединительных планок и опорных подкладок. В местах установки подкладок арматуру колонны обнажают и приваривают к подкладкам и стойкам обоймы. Для обеспечения плотного прилегания поперечных планок к поверхности усиливаемой колонны в планках создают предварительное напряжение с помощью их нагрева газовой горелкой до температуры 100-120 ^оС, как это было рассмотрено при усилении кирпичных колонн.

Усиление железобетонных колонн с помощью предварительно напряженных распорок (рис.61, в) осуществляют путем установки с двух сторон колонны двух пар сваренных с планками уголков-стоек, которым придан расчетный выгиб. Затем стяжными болтами стягивают уголки-стойки, приводя их в вертикальное положение. При этом в стойках создается напряженное состояние сжатия, которое передается через опорные планки на плиты перекрытия, разгружая усиливаемую колонну. Плотное прилегание предварительно напряженных распорок к телу колонны, а также их совместную работу обеспечивают приваркой к ним металлических планок с противоположных сторон колонны. Шаг планок принимают равным минимальному размеру сечения колонны.

Усиление консолей железобетонных колонн. В железобетонных колоннах с консолями для опирания ригелей возникает необходимость усиления консолей. Для этого обычно используют способ их усиления предварительно напряженными горизонтальными или наклонными тяжами (рис.62).

   :Рис.62. Усиление консолей колонн предварительно напряженными тяжами

1- усиливаемая консоль; 2- опорные элементы; 3- упоры из уголков; 4- предварительно напряженные тяжи; 5- анкеры; 6- упоры из швеллеров

Усиление сборных железобетонных балок и прогонов.

К наиболее часто применяемым способам усиления сборных железобетонных балок и прогонов относятся:

- изменение схемы работы конструкции;

- увеличение сечения с помощью устройства железобетонной обоймы;

- установка стальных хомутов или решетчатых стальных каркасов;

- установка стальных напряженных затяжек;

Усиление сборных балок и прогонов с помощью изменения схемы работы конструкции производят путем превращения шарнирного крепления балок и прогонов в жесткое, что способствует уменьшению величины изгибающего момента (рис.63).

 Рис.63. Усиление сборных железобетонных балок и прогонов путем изменения шарнирной заделки на жесткую

 Наиболее эффективным способом усиления сборных балок и прогонов является установка стальных напряженных затяжек следующими способами:

- по обеим сторонам усиливаемой конструкции;

- под нижней гранью конструкции;

- сверху и снизу конструкции;

Варианты усиления железобетонных балок и прогонов с помощью установки стальных напряженных затяжек приведены на рис.64.

Затяжки закрепляются анкерами на опорах и затем производится их натяжение с помощью натяжных гаек (рис.64, а), натяжных муфт (рис.64, б) и натяжных болтов (рис.64, в). Затяжки обычно устанавливаются попарно на 5-10 см ниже низа или выше верха усиливаемого элемента. Зазор между усиливаемым элементом и затяжкой устраивают с помощью металлических упоров, которые устанавливают на расстоянии около 1 м от опор.

 

 

Рис.64. Усиление сборных железобетонных балок и прогонов установкой стальных напряженных затяжек

а) - по сторонам усиливаемой конструкции; б) – под нижней гранью конструкции;

в) – сверху и снизу конструкции; 1 – усиливаемый элемент; 2 – стальная затяжка

С помощью напрягаемых затяжек изменяется статическая схема работы усиливаемой конструкции, благодаря чему, возрастает ее несущая способность.

Практическое занятие 6

Теоретическая часть

Усиление колонн стальной обоймой (рис.5, в), довольно прос­тое в исполнении, незначительно увеличивает размер поперечного сечения и позволяет использовать колонну в эксплуатационном ре­жиме сразу же после ее усиления Продольные элементы обоймы из уголковой стали устанавливаются на цементно-песчаном растворе и прижимаются к колонне с помощью струбцин, после чего к уголкам привариваются поперечные планки, устанавливаемые по длине ко­лонны с шагом 400-600 мм.

В предварительно напряженных обоймах поперечные планки нагреваются до температуры 100 – 120°С, а затем уже привариваются к продольным элементам. При остывании планки укорачиваются и создают эффект преднапряжения.

Усиление колонн стальными распорками (рис.5,г) является достаточно эффективным средством увеличения их несущей спо­собности, которая повышается пропорционально площади попереч­ного сечения распорок.

Распорки состоят из двух уголков (швеллеров), связанных между собой соединительными планками.

Вверху и внизу каждой распорки крепятся опорные уголки, через которые усилие распора передается на консоли. Как видно из рис.5,г, распорки с перегибом устанавливаются в середине их высоты. Для создания предварительного напряжения сжатия рас­порки с помощью натяжных болтов выпрямляются, принимая вер­тикальное положение. При этом распорки надежно включаются в совместную работу с колонной, частично разгружая ее. Величина сжимающих напряжений в распорках в период их включения в работу достигает 60-80 МПа.

Усиление колонн предварительно напряженными распорками целесообразно при длине распорок не более 5 м, когда не требуется большого расхода металла для обеспечения их устойчивости.

 Рисунок 5 – Способы усиления колонн:в - металлическая обойма; г - металлические распорки

Задача

Выбор метода усиления консоли колонны, как правило, зависит от ее формы и характера действующих усилий. Так, при больших изгибающих моментах эффективной оказывается горизонтальная затяжка (рис.7,а) из тяжей, натягиваемых гайками до напря­жений 60-90 МПа. При больших значениях поперечной силы и сжи­мающих напряжений в наклонной сжатой полосе целесообразно усиление преднапряженной наклонной затяжкой (рис.7, б) или металлическим столиком (рис.7, в), приваренным к продоль­ной арматуре колонны.

Площадь сечения ветвей горизонтальной затяжки определяется по формуле

Аs₁₃=1,25(М₁-М)/R_snh₀₁*О,9 ,

где М₁, М - соответственно изгибающие моменты, воспринимаемые консолью после и до усиления; h₀₁- полезная высота сечения консоли, усиленной затяжкой.

Площадь сечения ветвей наклонной затяжки можно определить из условия

Q £0,8 R_b b l_sup sin² q (1 + 5 am_w), в котором правая часть принимается не более 3,5 R_bt b h_o и не менее 2,5 R_bt b h_o.

В условии (6.1): l_sup ¾ длина площадки опирания нагрузки вдоль вылета консоли;

q — угол наклона расчетной сжатой полосы к горизонтали   ;

 — коэффициент армирования хомутами, расположенными по высоте консоли; здесь s_w — расстояние между хомутами, измеренное по нормали к ним.

При расчете учитываются хомуты горизонтальные и наклонные под углом не более 45° к горизонтали. Напряжение сжатия в местах передачи нагрузки на консоль не должно превышать R_b,loc. Для коротких консолей, входящих в жесткий узел рамной конструкции с замоноличиванием стыка, значение l_sup в выражении (6.1) принимается равным вылету консоли l₁, если при этом выполняются условия М/Q ³ 0,3 м и l_sup/l₁ ³ 2/3 (где М и Q — соответственно момент, растягивающий верхнюю грань ригеля, и поперечная сила в нормальном сечении ригеля по краю консоли). В этом случае правая часть условия (6.1) принимается не более 5R_btbh_o.

а)

б) в)

Рисунок 7 – Усиление горизонтальной затяжкой (а), наклонной затяжкой (б), металлическим столиком (в).

 

Рисунок 8 – Расчетная схема для короткой консоли при действии поперечной силы

 

Вопросы к практическому занятию.

1. Как выполняется металлическая обойма?

2. Из каких элементов состоит металлическая обойма?

3. Преимущества и недостатки металлической обоймы?

4. Как рассчитывается усиление колонны металлической обоймой?

Список рекомендуемой литературы

Основная: [ 1 - 4 ]

Дополнительная: [ 1,2,4 ]

Практическое занятие 7

Теоретическая часть

Междуэтажные перекрытия выполняют важную роль в обеспе­чении пространственной жесткости здания, являясь горизонталь­ными диафрагмами. Поэтому при разработке конструкции усиления необходимо обеспечивать не только прочность, но и жесткость перекрытия.

Применяется несколько способов усиления монолитных и сбор­ных плит перекрытий.

Способ наращивания плиты перекрытия состоит в нане­сении на ее поверхность нового слоя армированного бетона, класс которого, как правило, назначается на одну ступень выше класса бетона плиты. Для обеспечения хорошего сцепления нового бетона со старым поверхность перекрытия очищается от инородных вклю­чений и промывается водой, после чего делается насечка зубилом на глубину 0,5 – 1 см. Если же бетон плиты был подвержен значительной коррозии или пропитан техническими маслами, то необходимо обеспечить шпоночное соединение между его новым и старым слоя­ми. Для этого в перекрытии пробиваются сквозные отверстия разме­рами 8x8 см и шагом 50 – 80 см. В отверстия вставляются У-образные стержни шпоночного усиления 06-8 мм. Образуемые после бето­нирования железобетонные шпонки воспринимают касательные уси­лия между новой и старой плитами при изгибе, обеспечивая их совместную работу. Возможны и другие способы шпоночного соеди­нения плит.

Задача

Определить несущую способность плиты, усиленной наращиванием, и оценить эффективность усиления.

Параметры плиты до усиления: бетон класса В15; R_b=8,5 МПа; рабочая арматура сетки класса АII; R_s=280 МПа; А_s=7,85 см² (1ОǾ1ОАII); полезная высота сечения hо=0,05 м.

Параметры усиленной плиты: бетон в сжатой зоне класса В20; R_b=11,5МПа; полезная высота сечения h₀₁ =0,11 м.

Решение. Выделяем в плане плиты условную полосу шириной b=1м и рассматриваем ее расчетную схему, представленную на рис.9.

Из схемы видно, что при наращивании "новый" бетон оказыва­ется в сжатой зоне сечения, следовательно, эффективность усиления будет тем заметнее, чем выше класс бетона и его толщина.

Рисунок 9 - Расчетная схема плиты:

а - расчетное сечение плиты до усиления;

6 - то же, усиленной плиты

Определяем несущую способность плиты до усиления: устанавливаем характеристики сечений

х =

R_SA_S 280 • 7,85 •10^-4 =0,025 м;

8,5•1

R_bb

;

ξ = x / h_o = 0,25/0,05 = 0,5; ξ < ξr (0,5<0,68);

вычисляем, используя значение ξ по вспомогательным таблицам для изгибаемых элементов,

α₀=0,375;

находим изгибающий момент, воспринимаемый нормальным сечением плиты:

М=α_о*R_b* γ_b2* b *h_o ² =0,375*8,5*10³* 0,9* 1* 0,05²=7,17 кНм,

где γ_b2 - коэффициент условий работы (γ_b2 =0,9).

 

Расчетная нагрузка, воспринимаемая сечением,

g= 8М / l = (8 * 7,17)/ З² = 6,67 кН/м

 

Определяем несущую способность усиленной плиты:

280*7,5 * 10^-4

Х₁ = 11,5*1 = 0,019 м;

 

ξ = 0019 /0,11 =0,173; α_o=0,158;

M₁=0,158*11,5*10³*0,9*1*0,11²=19,8 кН*м;

q = ( 8* 19,8) /3³ = 17,6 кН/м.

Увеличение полезной нагрузки за счет наращивания плиты со­ставляет

17,6 - 6,37 = 11,23 кН/м.

 

Вопросы к практическому занятию

1. Какие способы усиления плит перекрытия?

2. Что собой представляет способ усиления наращиванием?

3. Из каких элементов состоит усиление плиты перекрытия?

Список рекомендуемой литературы

Основная: [ 1, 2 ]

Дополнительная: [ 1-4 ]

Практическое занятие 8

Теоретическая часть

При расчете усиления балочных элементов, выполняемого путем постановки предварительно-напряженного шпренгеля, рассматри­вают комбинированную систему. Учитывая, что усиление балки вы­полняется тогда, когда к ней уже приложена основная нагрузка, выполняют приближенный расчет усиления как для балки, находя­щейся под воздействием заданной внешней нагрузки и усилий, пе­редаваемых на балку со стороны шпренгеля (рис. 10,а), которые приравниваются к внешней нагрузке.

Сечения усиленной балки работают на сжатие с изгибом, и их несущую способность можно определять как для внецентренно-сжатых элементов.

Расчет балки, усиленной шпренгелем, ведут в такой последова­тельности:

а) выбирают габариты шпренгеля a, b, c, h, φ, A_str;

б) определяют изгибающие моменты в пролете балки до и пос­ле усиления соответственно М и М_g ;

в) назначают величину предварительного напряжения в шпренгельной затяжке σ_sp = 70 ¸ 100 МПа;

г) определяют распор в шпренгеле в предельном состоянии по формуле

где 0,8 — коэффициент условий работы;

 

Рисунок 10 - Расчетная схема балки: а — усиленной предвари­тельно-напряженным шпренгелем; б — усиленной металлической балкой предварительно напрягаемой созданием начального прогиба; в — усиленной предварительно-напряженной горизонтальной затяжкой

 

Задача

Требуется: рассчитать усиление сборной железобетонной балки пе­рекрытия пролетом 600 см и размерами поперечного сечения b ´ h= 25х50см;

Балка запроектирована на нагрузку q = 50 кН/м, в том числе на постоянную нагрузку 23 кН/м; после замены оборудования нагрузка на балку должна воз­расти до 70 кН/м.

Результатами проведенного обследования установлено, что геометрические размеры балки соответствуют проектным; признаки повреждений в балке отсут­ствуют; прочность бетона на сжатие соответствует условному классу В25; про­дольная арматура в растянутой зоне выполнена из 4 Æ 22 A-III

(A_s = 15,2 см²), в сжатой зоне из 2 Æ 14 A-III (A¹_s = 3,08 см²), признаков корро­зии арматуры нет; поперечные стержни арматурного каркаса из стали класса А-1 диаметром 8 мм при п = 2 (A_sw = 0,503 см²) с шагом s = 20 см в крайних четвертях пролета и s = 30 см в средней части балки, защитный слой бетона снизу около 3 см (а=3 см), сверху - 2,5 см ( а’ =3 см); h_o = 47 см.

Решение: так как бетон и арматура балки не имеют повреждений, то пове­рочный расчет выполняем по предельным состояниям,

принимая расчетные сопро­тивления бетона и арматуры [1]: R_b= 14,5 МПа, R _bt = 1,05 МПа, R_.s = R_sc= 365 МПа, R_sw = 175 МПа, n_b2 = 0,9, xR= 0,551.

Определяем несущую способность балки по моменту и поперечной силе

М= n_b2R_b× b × x(h₀ – 0,5x) + R_sc A¹_s(h₀ -- a¹);

 

x =

 

M = 0,9 (100) 14,5 ´ 25 ´ 13,56 (47,0 -- 0,5 ´ 13,56) = (100) 365 ´ 2,26 (47,0 -- 3,0) = 22739606 Н × cм = 227,4 кН × .м

 Q = Q_b + Q_sw,

Q_b =

 

  где q¹ = q = 50,0 кН/м » 0,56q_sw = 49,28 кН/м;

Q_b= Q_b,min = 74,0 кН;

 

Q_b,min = j_b3(1 + j_f) R_bt b h₀ = 0,6 ´ 1,05 (100) 25 ´ 47 = 74020 Н = 74 кН.

Q_sw = q_sw c₀ ,

где c = 1,52 м > c₀ = 1,12 м > 2h₀ = 0,94 м ;

принимаем c₀ = 2h₀ = 0,94 м;

тогда Q_sw = 92,75 ´ 0,94 = 87,2 кН;

Q = 76,3 + 87,2 = 163,5 кН.

При существующей нагрузке

Таким образом до реконструкции удовлетворялись условия прочности как по М, так и по Q:

M > M_max, Q > Q_max

После реконструкции максимальный изгибающий момент и максимальная по­перечная сила будут соответственно равны

M_max = Q_max = 70 ´ 3 = 210,0 кН.

 

Следовательно, усиление балки необходимо.

Выбор способа усиления зависит от конкретных условий. Предположим, что условия допускают применение нескольких способов усиления, которые рассмот­рим ниже.

Решение. Принимаем габариты шпренгеля (рис. 11) а = 1,50 см, b = 300 см., с = 19 см.

 

 

Рисунок 11 – Расчетная схема усиления балки шпренгелем

h = 50 c.м, A_str= 7,6 см² — площадь поперечного сече­ния шпренгеля (2 Æ 22 A-III), R_s,str = =365 МПа, tg j = 50/150 = 0,333, j = 18°30¢, s_sp = 100 МПа.

Определяем распор в шпренгеле

Таким образом до реконструкции удовлетворялись условия прочности как по М, так и по Q:

[M] > M_max, [Q] > Q_max

После реконструкции максимальный изгибающий момент и максимальная по­перечная сила будут соответственно равны:

 M_max = Q_max = 70 ´ 3 = 210,0 кН.

Следовательно усиление балки необходимо.

Выбор способа усиления зависит от конкретных условий. Предположим, что условия допускают применение нескольких способов усиления, которые рассмот­рим ниже.

Опорный момент равен М₀= 204800 ´ 19 = 3891200 Н×.см = 3891,2 кН×см.

Определяем изгибающий момент и поперечную силу в системе от полной на­грузки

M_u = 31500000 + 3891200 -- 68198 ´ 150 = 25161500 Н×см,

Q_u = 210 -- 68,198 = 141,8 кН < 150,0 кН.

Проверяем прочность усиленной балки

е = 122,8 +: 47 — 25 = 144,8 см, e^l = 122,8 — 25 + 3 = 100,8 см.

0 = 0,9 ´ 14,5 ´ 25 .х (144,8 — 47,0 + 0,5x) — 365 ´15,2 ´ 144,8 +365 ´ 3,08 ´ ´100,8;

0 = 326,25x: (97,8 +0,5x) — 690031;

0 = х (97,8 + 0,5x) — 2115,0; 0 = 97,8x + 0,5x² — 2115,0;

x² + 195,6x -- 4230,0 = 0 ; х = 19,65 см.

 

= 198770 H = 198,8 кН » 204,8 кН, т. е. балка обладает достаточной несу­щей способностью.

Вопросы к практическому занятию.

1. Для каких элементов используется усиление с помощью шпренгеля?

2. Из каких элементов состоит усиление ?

3. Какое напряженное состояние возникает в балке при усилении?

Список рекомендуемой литературы

Основная: [ 1, 4 ]

Дополнительная: [ 1,2,7 ]

 

Список рекомендуемой литературы

Основная литература

1. Абрашитов, В. С. Техническая эксплуатация и обследование строительных конструкций / В. С. Абрашитов. – М. : АСВ, 2002. – 121 с.

2. Железобетонные и каменные конструкции /под общ. ред. В. М. Бондаренко – М. : Высшая школа, 2002. – 610 с.

3. Иванов, Ю. В. Реконструкция зданий и сооружений: усиление, восстановление, ремонт : учебное пособие / Ю. В. Иванов. – Воронеж: 2003. – 322 с.

4. Касьянов, В. Ф. Реконструкция жилой застройки городов : учебник для вузов / В. Ф. Касьянов. – М. : АСВ, 2002. – 336 с

е = 122,8 +: 47 — 25 = 144,8 см, e^l = 122,8 — 25 + 3 = 100,8 см.

0 = 0,9 ´ 14,5 ´ 25 .х (144,8 — 47,0 + 0,5x) — 365 ´15,2 ´ 144,8 +365 ´ 3,08 ´ ´100,8;

0 = 326,25x: (97,8 +0,5x) — 690031;

0 = х (97,8 + 0,5x) — 2115,0; 0 = 97,8x + 0,5x² — 2115,0;

x² + 195,6x -- 4230,0 = 0 ; х = 19,65 см.

 

= 198770 H = 198,8 кН » 204,8 кН, т. е. балка обладает достаточной несу­щей способностью.

Вопросы к практическому занятию.

1. Для каких элементов используется усиление с помощью шпренгеля?

2. Из каких элементов состоит усиление ?

3. Какое напряженное состояние возникает в балке при усилении?

Список рекомендуемой литературы

Основная: [ 1, 4 ]

Дополнительная: [ 1,2,7 ]

 

Список рекомендуемой литературы

Основная литература

1. Абрашитов, В. С. Техническая эксплуатация и обследование строительных конструкций / В. С. Абрашитов. – М. : АСВ, 2002. – 121 с.

2. Железобетонные и каменные конструкции /под общ. ред. В. М. Бондаренко – М. : Высшая школа, 2002. – 610 с.

3. Иванов, Ю. В. Реконструкция зданий и сооружений: усиление, восстановление, ремонт : учебное пособие / Ю. В. Иванов. – Воронеж: 2003. – 322 с.

4. Касьянов, В. Ф. Реконструкция жилой застройки городов : учебник для вузов / В. Ф. Касьянов. – М. : АСВ, 2002. – 336 с

Балки и балочные конструкции

Способ	Характеристика способа	Условия применения
Установка дополнительных опор	Для уменьшения пролетов балок и моментов инерции	Кроме железобетонных балок
Увеличение сечения балок Установка тяжей, шпренгелей, шарнирно-стержневых систем	Дополнительные накладки, обетонирование Разгрузка балок с помощью предварительно-напряженных тяжей, шпренгелей, шарнирно-стержневых систем	Пригоден для любых балок Для усиления железобетонных и других балок
Изменение конструктивной схемы балок на опорах	Замена шарнирного сопряжения балок	Кроме деревянных балок

Усиление металлических балок осуществляют увеличением сечения, при этом необходимо выполнить их разгрузку не менее чем на 60 % или установить временные дополнительные опоры.