1. Основы проектирования усиления зданий и сооружений
1.1. Основные методы и способы усиления конструкций зданий и сооружений
Комплекс строительных работ и организационно-технических мероприятий, связанных с изменением основных технико-экономических показателей (нагрузок, планировки помещений, строительного объема и общей площади здания, инженерной оснащенности), с целью изменения условий эксплуатации, максимального восполнения утраты от имевшего место физического и морального износа, достижения новых целей эксплуатации здания, называется реконструкцией.
Комплекс мероприятий, обеспечивающих повышение несущей способности и эксплуатационных свойств строительной конструкции или здания и сооружения в целом по сравнению с фактическим состоянием или проектными показателями, называется усилением.
Комплекс мероприятий, обеспечивающих повышение эксплуатационных качеств конструкций, пришедших в ограниченно работоспособное состояние, до уровня их первоначального состояния, называется восстановлением.
Основы усиления конструкций и зданий и общие принципы усиления несущих конструкций
Конструкции существующих зданий и сооружений усиливаются в двух случаях:
Первый — когда в процессе эксплуатации в силу разных причин в них возникли дефекты и повреждения: трещины, искривления, провисания, коррозия и т. п. Способы усиления в этом случае зависят от вида и степени повреждений, а сами конструкции усиления и сечения их элементов определяются расчетами, которые учитывают остаточную несущую способность существующих конструкций и действующие на них нагрузки. Здесь также же следует отметить то, что иногда при аварийном состоянии эксплуатируемых конструкций усиление представляет собой проведение неотложных оперативных противоаварийных мер временного характера, когда вопрос стоит о предотвращении обрушения, и времени для тщательной разработки, изготовления и монтажа усиливающих конструкций не всегда остается, тогда зачастую приходится принимать решения, наиболее простые и быстро осуществимые.
Второй случай — когда предполагается увеличить нагрузки на конструк-ции (при реконструкции зданий, надстройке, перепланировке помещений, замене оборудования и т. п.). В этом случае необходимость усиления конструкций определяется расчетом их действительной несущей способности (с учетом характеристик материалов, наличия дефектов и фактических размеров сечений) и сравнением ее с усилиями от новых ожидаемых нагрузок.
Проектирование усиления или восстановления зданий и сооружений следует производить на основе следующих данных:
— технического обследования и обмеров поврежденных конструктивных элементов здания;
— наличия у заказчика или у строительной организации необходимых для восстановления строительных конструкций и материалов, в том числе номенклатуры строительных конструкций и материалов, централизованной поставки;
— имеющихся в распоряжении строительной организации необходимых строительных машин и механизмов;
— геологических и климатических условий района строительства;
— технико-экономического обоснования восстановления.
Следует также использовать имеющуюся в наличии ранее разработанную проектную документацию, паспорта и чертежи конструкций.
Усиливающие конструкции проектируют с использованием различных материалов: обычно металла и железобетона, реже из каменной кладки, древесины и полимеррастворов. Технология усиления монолитным железобетоном требует мокрых процессов, как правило, случаев устройства опалубки, иногда использования строительных лесов и времени для набора бетоном проектной прочности, что неизбежно приводит к продолжительному выводу из эксплуатации помещений или их отдельных участков. Поэтому когда есть возможность выбора вариантов, на практике отдают предпочтение металлу, хотя по стоимости и эксплуатационным затратам он дороже железобетона, а во многих слу-чаях нуждается и в специальной защите от огня и коррозии.
С целью сокращения объемов работ по усилению, а в некоторых случаях и отказа от усиления необходимо выявлять и использовать резервы несущей способности усиливаемых конструкций путем:
— уточнения усилий, действующих в перенапряженных элементах, за счет учета пространственной работы каркаса;
— уточнения фактических условий соединения и закрепления, учета фактических значений нагрузок, воздействий и их сочетаний;
— уточнения прочностных характеристик материала конструкций и соединений, фактических размеров сечений и элементов;
— включения в работу ограждающих конструкций или других вспомогательных элементов зданий и сооружений.
Для этого рекомендуется проведение мероприятий по улучшению условий работы несущих конструкций таких как:
— изыскание возможности уменьшения нагрузок, действующих на все здание или отдельные элементы его (ограничение грузоподъемности кранов, их сближения между собой, ограничение хода тележки, изменение схемы расположения кранов на подкрановых путях, изменение конфигурации кровли для уменьшения снеговых мешков, мероприятия по борьбе с отложением промышленной пыли и т. д.);
— уменьшение нагрузок от веса ограждающих конструкций путем замены их более легкими, в особенности в тех случаях, когда замена ограждающих конструкций связана с их неудовлетворительным состоянием.
Основные методы усиления строительных конструкций
Основными методами усиления конструкций являются: увеличение площади поперечного сечения элементов конструкции; изменение конструктивной схемы здания (каркаса или отдельных элементов его), в результате чего меняется расчетная схема; регулирование напряжений.
Каждый из этих методов может применяться самостоятельно или в комбинации с другим. При выборе метода, способа усиления и разработке проекта усиления необходимо учитывать требования монтажной технологичности.
Требования, предъявляемые к конструкциям при их усилении перечисленными методами, например при усилении стальных конструкций, следующие.
При выполнении усиления путем увеличения сечений требуется:
— обеспечить надежную совместную работу элементов усиления и усиливаемой конструкции, в том числе требования по местной устойчивости (размеры свесов, отгибов) и неискажаемости сечения (установка в необходимых случаях ребер, диафрагм и т. п.);
— принимать решения, которые не затрудняют проведение мероприятий по антикоррозионной защите, в особенности ведущих к щелевой коррозии или образованию замкнутых полостей, применяя в необходимых случаях герметизацию щелей;
— назначать места обрыва элементов усиления из условия работы неусиленных сечений при действии расчетных нагрузок в упругой стадии, не допуская резких концентраторов напряжений в указанных местах;
— учитывать наличие конструктивного оформления узлов, ребер жесткости, прокладок и т. п., а также допустимость увеличения габаритов строительных конструкций;
— обеспечивать технологичность производства работ по усилению, в частности, доступность сварки, возможность сверления отверстий, закручивания болтов и т. п.
При усилении конструкций путем изменения конструктивной схемы необходимо:
— учитывать перераспределение усилий в конструкциях, элементах, узлах, а также в опорах, включая дополнительные проверки фундаментов;
— учитывать разность температур, если существующие и новые конструкции могут эксплуатироваться в разных температурных режимах, а также температурный режим при замыкании статически неопределимых систем;
— предусматривать в конструктивных решениях элементов и узлов возможность компенсации несовпадения размеров существующих и новых конструкций.
Метод усиления конструкций, предусматривающий регулирование напряжений, позволяет уменьшить усилия, действующие в конструкции. Преимущество его состоит также в том, что усиление может производиться без разгрузки конструкции и остановки технологического процесса.
Элементы усиления необходимо проектировать, как правило, ориентируясь на полное изготовление их в заводских условиях. В отдельных случаях допускается изготовление деталей усиления с припуском и последующей обработкой на месте установки.
Присоединение деталей усиления к усиливаемым металлическим конструкциям выполняется с помощью сварки, на болтах или с использованием полимеррастворов. В некоторых случаях при соответствующем обосновании допускается применение дюбелей и самонарезающих винтов.
Аналогичные требования предъявляются к конструкциям и при усилении железобетонных, каменных и деревянных конструкций, учитывая особенности конструктивного решения зданий, материалов усиляемых конструкций и элементов усиления, технологий усиления и др.
Источник
5. Усиление строительных конструкций
5.1. Факторы, вызывающие необходимость усиления конструкций
Под усилением строительных конструкций подразумеваются мероприятия, способствующие повышению несущей способности, жесткости, трещиностойкости и других физических качеств строительной конструкции. Необходимость усиления строительных конструкций вызывают следующие основные факторы:
надстройка и пристройка зданий; изменение габаритов помещений, пролетов, высот, шага колонн; устройство больших проемов и т. д.;
потеря эксплуатационных свойств конструкций вследствие физического износа при значительных сроках эксплуатации, агрессивности среды и других неблагоприятных для работы конструкций условий;
замена физически и морально устаревших ограждающих конструкций; улучшение гидро-, тепло-, звуко- и других видов изоляции;
увеличение расчетных нагрузок, вызванное модернизацией технологии или изменением назначения помещений зданий;
ошибки при проектировании, изготовлении, монтаже и эксплуатации, снизившие несущую способность конструкций;
изменение расчетной схемы и условий эксплуатации по сравнению с проектными, вызванное большими остаточными деформациями при нагреве, осадках грунтов и т. д.;
улучшение освещенности, аэрации, снижение уровня шума, вибрации и т. д.;
выявление неблагоприятных качеств материала эксплуатируемых конструкций;
9) особые условия: землетрясения, тайфуны, взрывы и т. д.
При разработке проекта по усилению конструкций сталкиваются с трудностями, которых нет при новом строительстве.
Во-первых, еще недостаточно разработана инструктивно-нормативная литература по усилению конструкций, слабо освещены вопросы расчета, конструирования, технологии выполнения и т. д.
Во-вторых, усиливать приходится конструкции, изготовленные ранее, механические свойства и типоразмеры их могут отличаться от применяемых в период усиления.
В-третьих, следует учитывать стесненность выполнения работ при реконструкции, необходимость как можно меньших остановок основного производства, устройства подстраховочных лесов, согласования графикаработ и т. д.
В-четвертых, при выполнении работ необходим специальный набор механизмов, инструментов, приспособлений, особые технологическиеприемы и т. д.
В-пятых, вопросы обеспечения безопасного ведения работ длястроителей и эксплуатационников должны быть четко проработаны.
5.2. Основные способы усиления конструкций
Несмотря на многообразие строительных конструкций, существуют общие для них приемы усиления, которые могут быть применены для различных видов конструкций [20—30, 34—40]. Основными способами усиления конструкций являются:
увеличение сечения элементов и их соединений за счет присоединения к ним новых элементов;
введение дополнительных элементов (связей, ребер, диафрагм и т. д.), уменьшающих расчетные длины несущих элементов конструкций и повышающих их устойчивость;
разгрузка конструкций за счет замены тяжелых плит или утепли теля на легкие; установка ограничителей, изменяющих расположения колес двух кранов, снижение их грузоподъемности; снятие части тяжелого оборудования; создание разгружающих консолей;
изменение схемы передачи нагрузки с помощью дополнительных распределительных устройств, в том числе автоматических, при управлении работой конструкции;
изменение закрепления концов стержней, например, шарнирного на жесткое, превращение однопролетных систем в многопролетные и т. д.;
6) устройство дублирующих элементов;
7) введение затяжек, шпренгелей, тяжей с созданием предвари тельного напряжения в конструкциях;
применение распорных устройств, снижающих расчетное усилие в сечениях элементов, а также подкосов, оттяжек, расчалок;
включение в совместную работу соприкасающихся элементов, например плит с балками или фермами, и т. д.;
регулирование высотой (осадками) опор в статически неопределимых системах;
превращение рам и арок в фермы или ферм в распорные системы;
завальцовка или вклеивание растянутой проволоки;
упругий выгиб отдельных частей с последующим их соединением;
введение дополнительных элементов или конструкций, обеспечивающих пространственную работу покрытия или всего каркаса;
изменение свойств материала, например, упрочнение грунтов, древесины и т. д.;
16) замена дефектных частей протезами или новыми элементами. Приведенный перечень не является законченным, т. к. возникают
все новые способы усиления или их усовершенствования. Особенно широко применяются способы усиления, основанные на предварительном натяжении с помощью затяжек и шпренгелей. Передаваемые затяжками и стойками шпренгеля реакции на конструкцию вызывают в ней снижение напряжения в момент усиления или ее разгрузку. При этом можно добиться нетолько полной разгрузки наиболее опасных сечений в конструкции, но и создания напряжений обратного знака, вплоть до величины, равной расчетному сопротивлению. Таким образом, общий прирост напряжений превысит величину расчетного сопротивления. Такого эффекта нельзя получитьпри изготовлении предварительно напряженных новых конструкций.
Ниже представлены примеры применения различных способов усиления эксплуатируемых конструкций, том числе предложенных нами, как с использованием преднапряжения, так и без преднапряжения.
5.3. Увеличение сечения элементов и их соединений
Все элементы конструкции из любого материала могут быть усилены присоединением дополнительных элементов или наращиванием сварных швов и других видов соединений.
К стержням металлических конструкций (колонн, балок, ферм и др.) при усилении с помощью сварки или болтов (заклепок) дополнительноприсоединяют элементы усиления из различных профилей: полос, уголков, швеллеров, двутавров, арматуры и т. д. (рис. 5.1). Аналогично этим схемам было проведено усиление некоторых раскосов ферм пространственногопокрытия Центрального рынка в г. Волгограде. Усиление узловых соединений возможно увеличением габаритов фасонок и длины дополнительных
сварных швов. При присоединении новых элементов сечения необходимо предусмотреть такие меры, чтобы конструкция, находящаяся под нагрузкой, не получила от разогрева металла во время сварки дополнительных деформаций или не произошло потери ее несущей способности. Сварку производят при напряжениях в сечениях менее0,7R. Осуществляют ее поэтапно, за несколько приемов. Например, приваривают шов длиной 20 мм, затем его охлаждают, снова накладывают шов 20 мм и т. д. В каждом конкретном случае должна быть разработана технология присоединения элементов усиления к существующей конструкции и отражена в технических указаниях на чертежах.
В железобетонных конструкциях этот прием усиления также широко применяется. Балки, колонны и другие конструкции могут быть усилены наращиванием бетона в сжатой зоне и присоединением дополнительной арматуры и защитного слоя бетона в растянутой зоне (рис. 5.2). Перед набетонкой существующие бетонные поверхности очищают и обрабатывают для обеспечения схватывания нового слоя бетона со старым. Армируют
новый слой бетона сеткой, которую прикрепляют дюбелями или анкерами к старому бетону.
После предварительной очистки участков арматуры длиной 50— 100 мм с шагом 300—500 мм от защитного слоя бетона к существующей арматуре приваривают через прокладки (из коротышей арматуры) новую арматуру, которую в дальнейшем защищают новым слоем мелкозернистого бетона по сетке.
В пустотелых железобетонных панелях (рис. 5.2, в) можно пробитьщели в пустоты и завести туда дополнительно каркасы, забетонировать их с набетонкой по сетке сверху плиты. Таким образом, можно увеличить все сечение железобетонной конструкции — растянутую и сжатую зоны.
В деревянных и пластмассовых конструкциях присоединяют на клею, нагелях (гвоздях, шурупах, болтах и т. д.) элементы усиления в виде досок, пластин, листов фанеры, ДВП и т. д. (рис. 5.3). Часто усиливают деревянные конструкции металлическими профилями: полосами, уголками, швеллерами и т. д. Вклеивают в пропиленные борозды арматуру, иногда, предварительно растянутую.
Каменные и бетонные конструкции: стены, столбы, фундаменты наращивают присоединением к ним новых элементов в виде кирпичных пилястр, дополнительных стен из кирпича, бетона или железобетона (рис. 5.4а, 6).
Например, кирпичная стена одноэтажной части корпуса А Волгоградского инженерно-строительного института усилена с внутренней стороны железобетонной стенкой толщиной 10 см, связанной анкерами со старой стенкой и опирающейся на усиленные фундаменты.
Фундаменты наращивают с нескольких сторон или с частичным подведением под существующие фундаменты. При этом необходимо распределить нагрузку от вышележащих конструкций на дополнительные части фундамента, либо непосредственно от новых стен или стоек на фундаменты, либо через поперечные распределительные траверсы — балки, пропущенные через стены поверх фундаментов (рис. 5.2,д).
Кирпичные и бетонные столбы и простенки можно усиливать обоймой из железобетона или цементного раствора по сеткам, а также из металлических уголков, объединенных планками (рис. 5.4в, г, д). Металлические уголки могут выполняться изогнутыми и при установке стягиваться поперечными болтами с передачей распора на нижележащие и вышележащие конструкции, что обеспечивает их включение в работу и разгрузкуусиливаемых столбов.
Целесообразно элементы усиления выполнять предварительно напряженными инвентарными затяжками, которые после прикрепления элементов усиления снимают с конструкции. В этом случае, снимая затяжки, создают эффект разгрузки усиливаемой конструкции за счет загрузки элементов усиления.
Необходимо отметить, что все элементы усиления, увеличивая расчетную площадь сечения несущего элемента, повышают также его жесткость и, следовательно, снижают гибкость, что для сжатых и сжато-изогнутых элементов конструкции имеет большое значение. Поэтому, если даже элементы усиления по каким-либо причинам не могут воспринимать непосредственно расчетное усилие или воспринимают только его часть от загружения дополнительной временной нагрузкой, все равно, снижая гибкость .элемента, они повышают его несущую способность. Отсюда вытекает, что иногда можно увеличивать жесткость элемента только в его средней части, например, усиливая сжатые раскосы ферм, не доводить элементы усиления до узлов, если затруднено присоединение их к фасонкам. В этом случае элементы усиления не воспринимают усилий, но снижают гибкостьстержней, предохраняя их от потери устойчивости, тем самым, повышая их несущую способность.
Источник
