Колони, стовпи і стіни

Підсилення залізобетонних та кам’яних конструкцій

Залізобетонні колони підсилюються шляхом установлення обойм. Обойми можуть бути металевими (рис. 2.19, а) та залізобетонними (рис. 2.20). Ці обойми підсилюють існуючу конструкцію, сприй-маючи стискаюче навантаження як безпосередньо, так і стримуючи поперечні деформації. Непряме армування, напри-клад спіральною арматурою (рис. 2.21), призводить ли-ше до зменшення поперечних деформацій бетону. Такі конструкції обойм через малу жорсткість на стиск не можуть безпосередньо сприймати поздовжні сили. Якщо металеві обойми охоплюють весь переріз конструкції, то залізобетонні можуть улаштовуватись як з усіх чотирьох, так і з трьох, двох чи навіть однієї сторони перерізу колони. Зчеплення старого бетону з новим забезпечується при цьому виконанням певних технологічних вимог, а саме: виконання насічки на поверхні бетону; очищення поверхні від зруйнованого матеріалу, сміття; зволоження поверхні бетону за 1..1,5 години до початку бетонування (калюж на поверхні бетону бути не повинно); ретельне укладання та вібрування бетонної суміші; догляд за бетоном у період набирання ним міцності (зволоження для попередження виникнення усадкових тріщин, недопущення заморожування матеріалу в період твердіння).

При підсиленні колон залізобетонними сорочками на-вантаження на бетон та арматуру обойми передається за рахунок зчеплення нового бетону зі старим. Для включення в роботу сталевих обойм їх виготовляють попередньо напруженими. Попе-реднє напруження в поздовжніх кутиках обойми досягається тим, що попередньо заготовлені елементи розпірок (два кутики з привареними до них поперечними планками) виготовляють непрямолінійними (величина перелому при цьому визначається розрахунком). Ці елементи закріплюються жорстко, як правило, шляхом приварювання в опорних вузлах (рис. 2.19, а), а потім за допомогою натяжних монтажних болтів стягуються до прямолінійної форми, при цьому попередньо напружуються і включаються в роботу зі сприймання зовнішнього поздовжнього зусилля. В такому попередньо напруженому стані доварюються всі поперечні планки (рис. 2.19, б).

Приклад 2.2. Потрібно запроектувати підсилення залізобетонної колони обоймою при значенні поздовжньої сили, що зросла, N = 2470 кН (М = 0). Початковий поперечний переріз колони: b = 0,3 м; h = 0,4 м; площа арматури — A_s = 12,6 см² (4Æ22 А–II); бетон класу В15 (R_b =8,5 МПа); R_sc=280 МПа; розрахункова довжина колони l₀ = 6 м; співвідношення довготривалого навантаження до повного становить N_l/N =0,5.

Приймаємо мінімально можливе значення товщини обойми — 0,06 м. Тоді розміри нарощеної колони будуть дорівнювати b₁= 0,42 м; h₁= 0,52 м.

Відносна гнучкість підсиленої колони

λ_h=

У першому наближенні приймаємо j = j_sb = 0,88.

Додатково приймаємо площу арматури 1% площі перерізу бетону обойми, тобто

A_s1= 0,01 A_b1.

Виходячи з цього, можна записати:

N_per=j [ R_b (A_b+A_b1)+ R_sc (A_s +0,01 A_b1)].

Звідси знаходимо необхідну площу обойми підсилення

Товщину обойми визначають за виразом

Приймаємо кількість арматури обойми

Приймаємо 4Æ20 А–II (А_s1 =12,6 см²).

Перевіряємо несучу здатність колони.

Відносна гнучкість при b₂ =0,44 м; h₂=0,54 м

Коефіцієнт j знаходимо за формулою

Несуча здатність перерізу

Міцність недостатня.

Збільшуємо арматуру А_s1 на один калібр, тобто приймаємо 4Æ22А–II (А_s1 = 15,2 см²).

Міцність не забезпечена. Ще на один калібр збільшуємо діаметр арматури обойми, тобто приймаємо 4Æ25 А–II (А_s1 = 19,61 см²)

Міцність підсиленої колони на вплив поздовжньої сили, яка буде діяти на неї після реконструкції забезпечена.

Приклад 2.3. Колона з поперечним перерізом розмірами h= 0,7 м; b= 0,35 м армована стиснутою А^’_s = 6,3 см² (2Æ20 А–I) і розтягнутою арматурою А_s =37,0 см² (6Æ28 А-I) (R_s=R_sc= 225 МПа) виконана з бетону класу В15 (R_b= 8,5 МПа). Після реконструкції на колону буде діяти: поздовжня сила N =400 кН та згинальний момент M= 600 кН м. Необхідно підсилити колону нарощуванням.

Задаємося товщиною нарощування d = 0,2 м при a₀ = 0,2 м (див. рис. 2.22). Висота нарощеного перерізу:

Ексцентриситет дії нормальної сили

Визначаємо значення ексцентриси-тету е:

Коефіцієнт a_m знаходимо за формулою

тобто має місце випадок відносно великих ексцентриситетів. При цьому .

Визначаємо необхідну площу арматури підсилення:

Приймаємо 2Ø25 А-І (А_s = 9,82 см²).

Визначаємо висоту стиснутої зони бетону

Оскільки 0,5(h₁ – x) = 0,5(0,9 – 0,441) = 0,23 м > а₀ = 0,20 м, то вищенаведені вирази правомірні.

Приклад 2.4. Розміри поперечного перерізу колони h= 0,6 м; b= 0,3 м; А^’_s =30,8 см² (5Æ28 А–I); А_s =6,3 см² (2Æ20 А-I) (R_s=R_sc= 225 МПа); а=а´=0,04 м; h₀ = 0,56 м; бетон класу В15 (R_b= 8,5 МПа). Після реконструкції на колону буде діяти: поздовжня сила N =2860 кН та згинальний момент M= 2 00 кН м.

Колону необхідно підсилити нарощуванням.

Задамося величиною сорочки нарощування (рис. 2.23). При цьому d=0,2 м; а₁´=0,04 м, тобто а₀=0,2 м.

Збільшений нарощуванням переріз буде мати висоту: h₁ = h + d = =0,6+0,2=0,8 м.

Ексцентриситет прикладання поздовжньої сили відносно центра мас нарощеного перерізу

< 0,15 h ₁ = =0,15x0,8 = 0,12 м,

тобто має місце випадок роботи позацентрово стиснутого елемента з відносно малими ексцентриситетами.

e = e ₀ + 0,5 h₁ = 0,07 + 0,05x0,8 – 0,4 = 0,43 м.

Визначаємо необхідну площу стиснутої арматури, що встановлюється у на бетонці:

Приймаємо 3Ø28 А-І (А_s1 = 18,47 см²).

Приклад 2.5. Залізобетонна колона з поперечними розмірами 400x400 мм і висотою 5600 мм сприймає поздовжню силу 456 кН. Після реконструкції будинку на неї буде передаватись зусилля N=776 кН. Підсилення виконати шляхом узяття колони в обойму з металевих кутиків із попереднім їх напруженням для негайного включення в роботу (див. рис. 2.19).

Визначаємо поздовжню силу, що передається на кутики підсилення:

N_s = 776 – 456 = 320 кН.

Необхідна площа поперечного перерізу кутиків

де — коефіцієнт, що враховує вплив поздовжнього згину; — коефіцієнт умов роботи кутиків підсилення; R_y — розрахунковий опір сталі кутиків.

Для підсилення приймаємо кутики із сталі 18 кп із розрахунковим опором R_y = 230 МПа.

При цьому

Приймаємо: 4∟70x5 за ГОСТ 8509-86 (A_s = 27,44 см²).

Попереднє напруження

Визначаємо ухил кутиків-розпірок до їх стягування (після заварювання опорних частин елементів підсилення) (див. рис. 2.19):

Відстань від елемента, що підсилюється до розпірки в місці перегину при довжині кутика підсилення l = 5540 мм:

Відстань між поперечними штабами приймаємо із розрахунку, маючи на увазі, що найбільша гнучкість гілок між точками їх закріплення не повинна перевищувати 40 , тобто

а = 40x2,16 = 86,4 см.

За конструктивними вимогами приймаємо а = 400 мм = 0,4 м.

Поперечний переріз штаб приймаємо з умови:

де

При цьому де — в см².

Задаємося товщиною штаби = 0,005 м. При цьому

Приймаємо штабу із сталі 18 кп поперечним перерізом 40x5 мм.

Елементи двовіткових колон (стійки, перемички) виробничих будівель підсилюються аналогічно суцільним — узяттям в сталеву чи залізобетонну обойму. Специфічним для таких колон є підсилення шляхом заповнення отворів у бетоні залізобетоном (рис. 2.24, а), влаштування залізобетонної обойми навколо підкранової частини із заповненням порожнин між вітками (рис. 2.24, б) або встановлення розвантажуючих стійок в отворах підкранової частини (рис. 2.24, в).

Підкранові консолі залізобетонних колон підсилюються, як правило, шляхом постановки зовнішніх металевих елементів, які повинні компенсувати втрату несучої здатності цього елемента (рис. 2.25).

Кам’яні стовпи підсилюються шляхом узяття їх в обойми. Найбільш розповсюдженими є сталева (рис. 2.26, а), залізобетонна (рис. 2.26, б) та армоштукатурна (рис. 2.26, в) обойми. В перших двох випадках підсилення кам’яної конструкції відбувається як за рахунок безпосереднього приймання поздовжньої стискаючої сили елементами обойми (металевими кутиками в сталевій обоймі чи залізобетонною сорочкою (бетоном та поздовжньою арматурою) — в залізобетонній), так і непрямим шляхом — за рахунок стримування поперечних деформацій кам’яної кладки, так званий ефект обойми.

Несуча здатність центрально і позацентрово (з малими ексцентриситетами) стиснених підсилених обоймами за виразами:

— для сталевої обойми

; (2.1)

— для залізобетонної обойми

; (2.2)

— для армоштукатурної обойми

. (2.3)

Коефіцієнти та приймають за виразами:

; (2.4)

. (2.5)

Відсоток армування визначається за виразом

. (2.6)

У виразах (2.1)...(2.6) прийняті наступні позначення: — площа поперечного перерізу кладки, що підсилюється; — те ж поздовжніх кутиків сталевої обойми або поздовжньої арматури залізобетонної сорочки; — те ж хомута або поперечної штаби; — те ж бетонного ядра (бетону обойми, розміщеного між хомутами і кладкою, тобто без захисного шару); — коефіцієнт умов роботи кам’яної кладки, приймається згідно з таблицею 1.5; — розрахунковий опір поперечної арматури (згідно зі СНиП 2.03.01-84*); — те ж поздовжньої арматури; — те ж бетону. Коефіцієнт поздовжнього згину приймають як для непідсиленої кладки.

Підсилення кам’яних стовпів обоймою із цегляної кладки (рис. 2.26, г) повинне виконуватись із ретельним зачеканюванням пустоти між кладкою й обоймою цементним розчином та обов’язково армуватись поперечними замкнутими арматурними хомутами, які встановлюються в кожний розчинний шов по висоті обойми. Такі обойми і їх робота є ще малодослідженими, тому відсутні рекомендації щодо розрахунку їх міцності.

Підсилення обоймами у випадку, коли ексцентриситет відносно великий , неефективне і тому не використовується.

Приклад 2.6. У цивільному будинку, що надбудовується, необхідно підсилити внутрішній цегляний стовп перерізом 64x64 см. Цегла — глиняна пластичного пресування марки М75, розчин марки М25. Розрахункова висота стовпа відповідає висоті поверху та дорівнює 2,8 м. Кладка пошкоджень не має. Після реконструкції на стовп діятиме поздовжнє зусилля = 800 кН, прикладене з ексцентриситетом = 5 см.

З архітектурних міркувань підсилення стовпа доцільно провести за допомогою сталевої обойми, що включається в роботу безпосередньою передачею зусиль зразу після її встановлення.

Для прийнятих вихідних даних: характеристики кладки — = 1, = 1, = 1,1 МПа, = 1000; розрахунковий опір поздовжньої = = 225x0,85= 190 МПа й поперечної арматури = 175x0,8 = 140 МПа (тут 0,85 та 0,8 — коефіцієнти умов роботи відповідно поздовжньої та поперечної арматури (кутиків й штаб) у складі сталевої обойми).

Коефіцієнти, що враховують позацентрове прикладання стискаючого зусилля:

;

.

Висота стисненої зони кам’яної кладки

= 0,64 – 2 x 0,05 = 0,54 м.

При гнучкості за висотою перерізу для всієї кладки = =2,8/0,64 = 4,4 та її стиснутої частини = 2,8/0,54 = 5,2, коефіцієнти поздовжнього згину будуть дорівнювати = 0,992 і = = 0,978.

При цьому

= 0,5(0,992+0,978) = 0,985.

Вертикальні елементи обойми приймаємо із чотирьох кутиків 4∟50x5 мм ( = 19,2x10^-4 м² = 19,2 см²).

Із виразу (2.1) знаходимо складову поздовжньої сили, яка повинна сприйматися поперечними штабами:

= 146,9 кН.

Необхідний відсоток поперечного армування одержуємо розв’язавши рівняння відносно :

;

Крок поперечних штаб приймаємо s = 0,5 м, тоді з формули (2.6) знаходимо необхідну площу поперечного перерізу штаби:

1,92Х10^-4 м² = 1,92 см².

Приймаємо штабу перерізом 50x4 мм ( 2,0 см²).

Приклад 2.7. Необхідно підсилити цегляний стовп поперечним перерізом 51Х64 см. Кладка стовпа виконана із цегли пластичного формування марки М100 на складному розчині марки М25 і не має пошкоджень. Висота стовпа = 5 м. Після реконструкції його верхня опора буде пружною. Розрахункова поздовжня сила, що діятиме на стовп = 1050 кН, а розрахунковий момент у напрямі більшої сторони поперечного перерізу — = 95 кН.

Підсилення виконати залізобетонною обоймою з бетону класу В15 із забезпеченням передачі навантаження на обойму шляхом влаштування монолітної розподільної плити по верху стовпа та обпирання обойми безпосередньо на фундамент. Поздовжнє армування виконати з арматури класу А-ІІ, а поперечне — А-І.

Призначаємо товщину обойми 7 см, а товщину обойми без захисного шару — 5 см. При заданих умовах: = 1, = 1, = 1,3 МПа, = 1000; = 280x0,85= 238 МПа, = 175x0,8 = 140 МПа (тут 0,85 та 0,8 — коефіцієнти умов роботи відповідно поздовжньої й поперечної арматури в складі залізобетонної обойми), = 0,9x0,85x8,5 = = 6,5 МПа (де = 0,9, = 0,85 — коефіцієнт умов роботи бетону в обоймі.

Розрахункова довжина стовпа

м.

Площа стовпа, що підсилюється,

0,51 x 0,64 = 0,3264 м² ≈ 0,3 м².

Площа перерізу залізобетонної обойми

= (0,51 + 2 x 0,07)(0,64 + 2 x 0,07) = 0,3264 = 0,1806 м² ≈ 0,18 м².

Площа обойми без захисного шару:

= (0,51 + 2 x 0,05)(0,64 + 2 x 0,05) = 0,125 м².

Об’єм бетону обойми:

V = 0,18 x 5 = 0,9 м³.

Розрахункова поздовжня сила з урахуванням ваги обойми

= 1050 + 0,9 x 25 x 1,1 = 1075 кН.

Ексцентриситет прикладання цього зусилля

м.

Визначаємо коефіцієнти, які враховують позацентрове прикладання поздовжнього зусилля:

;

.

Висота стисненої зони кам’яної кладки

= 0,64 – 2 x 0,088 = 0,464 м.

При гнучкості за висотою перерізу для всієї кладки = =6,25/0,64 = 9,8 та її стиснутої частини = 6,25/0,464 = 13,5, коефіцієнти поздовжнього згину будуть дорівнювати = 0,884 та = = 0,803.

При цьому

= 0,5(0,884+0,803) = 0,844.

Поздовжнє армування приймаємо з урахуванням конструктивних вимог 8Ø16 А-ІІ ( = 16,08 см² = 16,08x10^-4 см²).

При цьому необхідний відсоток поперечного армування

,

тобто

звідки = 0,287%.

Задаємо крок хомутів = 0,15 м. Необхідну площу поперечної арматури визначаємо, використовуючи вираз (2.6):

м².

Приймаємо хомути із сталі А-І Ø10 мм ( = 0,785 см² > 0,61 см².

Приклад 2.8. Центрально завантажений стовп поперечним перерізом 0,79x0,79 м викладений із природних пиляних каменів марки М50 розмірами 39x19x18,5 см на розчині марки М25.

У процесі експлуатації стовп зазнав пошкодження у вигляді тріщин, що перетинають до 4 рядів кладки, та потребує підсилення. Розрахункова поздовжня сила = 750 кН. Розрахункова довжина стовпа = 5 м.

Підсилення виконати у вигляді армоштукатурної обойми товщиною 3 см із цементного розчину марки М75.

При заданих умовах: = 0,75, =1, =1, = 1, = 1,2 МПа, = 1000; = 175x0,8 = 140 МПа (тут 0,8 — коефіцієнт умов роботи поперечної арматури у складі обойми).

Площа поперечного перерізу стовпа

= 0,79 x 0,79 = 0,6241 м² > 0,3 м².

При

Підставивши числові значення у вираз (2.3), маємо:

звідки = 0,11%.

Приймаємо найменший діаметр арматури класу А-І (Ø6) із площею перерізу одного стрижня 0,283 см².

Крок робочих (поперечних) стрижнів в армоштукатурній обоймі визначаємо із виразу (2.6):

м.

Приймаємо 0,1 м.

Поздовжні стрижні в роботі із сприймання поперечної сили участі не беруть і призначаються конструктивно — 8Ø8 А-І.

Підсилення простінків виконується аналогічними методами. При цьому треба мати на увазі, що використання залізобетонної обойми призводить до значного збільшення поперечного перерізу і тому не завжди прийнятне. Армоштукатурна обойма дає невеликий ефект підсилення (збільшення несучої здатності), через це найбільш поширеним способом підсилення простінків є взяття їх у металеву обойму. При співвідношенні розмірів поперечного перерізу простінка поперечні штаби повинні бути зв’язані між собою (рис. 2.27).

При значному руйнуванні простінків, особливо при їх невеликій кількості, кладку конструкцій замінюють на нову (рис. 2.28). Перед цим розвантажують простінок за допомогою стійок та клинців, що підбиваються і включаються в роботу. Таке підсилення за допомогою розвантажуючих елементів може бути використане і в якості постійного, однак на такий вид підсилення накладаються естетичні обмеження. Цей недолік долається використанням додаткових (розвантажуючих) елементів у вигляді цегляних стовпів (рис. 2.29). Кам’яна кладка додаткових стовпів повинна бути розмірами поперечного перерізу не менше ніж 250 мм, а також надійно зв’язана з існуючою за допомогою коротишів арматури Ø6 мм класу А-І довжиною не менше ніж 200 мм, що вставляється в попередньо просвердлені в кам’яній кладці простінка отвори на цементному розчині марки М100. Крок стрижнів — не більше ніж через чотири ряди кладки по її висоті.

Ефективним способом підсилення простінків є їх армування шляхом установлення зовнішніх вертикальних металевих елементів із прокатних профілів, з’єднаних між собою шпильками (рис. 2.30). Такі вертикальні елементи можуть бути як зовнішніми, так і втопленими за грань кам’яної кладки. В останньому випадку не порушується зовнішній вигляд будівлі, але трудомісткість такого підсилення дещо більша порівняно з невтопленими елементами.

Найбільш поширеним дефектом кам’яних стін є тріщини, викликані нерівномірною осадкою фундаментів. Оскільки, як було вказано раніше, підсилення ґрунтів є процес дорогий та трудомісткий, частіше за все використовуються методи підсилення кам’яних стін за допомогою зовнішніх або внутрішніх напруже-них сталевих поясів (рис. 2.31). Тяжі встанов-люються в рівні перекриттів (дещо (10...15 см) вище чи, частіше, нижче від грані перекриття) та попередньо напружуються за допомогою стяжних муфт до напруження 70% розрахункового у гілках тяжів. Вільна (між точками закріплення) довжина тяжів не повинна перевищувати 12...15 м, оскільки при перебільшенні цієї довжини пружні абсолютні деформації в сталі тяжів будуть наскільки значними, що тріщини в стінах будуть розвиватися та розкриватися.

Якщо в стінах будівлі є тріщини на незначній площі їх, може бути використаний метод місцевого підсилення за допомогою металевих накладок із пластин чи прокатних профілів (рис. 2.32).

Після підсилення стін необхідно виконати їх ремонт. Найбільш ефективним методом відновлення монолітності кладки є її ін’єктування цементним розчином (рис. 2.16). Можливий ремонт за допомогою ретельного зачеканювання тріщин цементним розчином марки не нижче ніж М100. Попередньо тріщини розкриваються, продуваються стиснутим повітрям та зволожуються її береги.

Відновлення зовнішньої поверхні цегляної кладки проводиться шляхом оштукатурення її цементним розчином марки М50 та вище по сітці-рабиці, пристріляній до стіни з кроком точок кріплення не більше ніж 500 мм. Товщина кожного шару штукатурки повинна бути не більше ніж 30 мм. За необхідності влаштування товщого відновленого шару стіни шари слід наносити після твердіння попереднього (3...4 доби).

У разі значного пошкодження (більше ніж 120 мм) кам’яна кладка відновлюється шляхом перекладання зовнішнього шару. При цьому шар, що відновлюється, повинен бути надійно з’єднаний з основним масивом стіни (рис. 2.33).

Кам’яні пере-мички стін підсилю-ються шляхом підведення додат-кових елементів знизу конструкції як металевих, так і за-лізобетонних (рис. 2.34). Радикальним методом відновлен-ня експлуатаційних якостей та збіль-шення несучої здатності перемичок є встановлення у віконний отвір жорсткої металевої рами (рис. 3.35). При такому способі підсилення збільшується міцність не тільки перемички, але і простінка за рахунок того, що стояки рами безпосередньо сприймають частину вертикального навантаження на конструкцію.

За необхідності утворення отвору в цегляній стіні встанов-люється нова перемич-ка із прокатних профі-лів (найчастіше із швелера) (рис. 2.36). Утоплені в масив стіни прокатні швелери зразу включаються в роботу із сприйняття наван-таження, а також після забивання отворів в стіні цементним роз-чином марки не нижче ніж М100 по приваре-ній до швелера сітці мають естетичний виг-ляд.

Через неоднако-ві осідання основ несучі, самонесучі сті-ни та перегородки в процесі експлуатації мають різні деформа-ції, що призводить до виникнення тріщин у місцях їх сполучення. Для віднов-лення сумісної дії конструкцій їх з’єднують між собою за допомогою дюбелів або кутиків (рис. 3.37). Після з’єднання стін монолітність шва поновлюється шляхом ретельного зачеканювання тріщин цементним розчином високої марки (не нижче ніж М100).

Дата добавления: 2014-11-29