Рекомендации по усилению железобетонных конструкций зданий и сооружений под нагрузкой в условиях реконструкции (стр. 1 )

НИИСП ГОССТРОЯ УССР

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА ГОССТРОЯ УССР

РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО УСИЛЕНИЮ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ПОД НАГРУЗКОЙ В УСЛОВИЯХ РЕКОНСТРУКЦИИ

Одобрены Ученым советом Луганского филиала НИИСП Госстроя УССР
(протокол от 05.06.90)

КИЕВ 1990

Изложены особенности проектирования и устройства конструкций усиления под нагрузкой. Приводятся методика расчета, рекомендуемые конструктивные решения, системы опалубок и средства механизации.

Для работников проектных, проектно-технологических и производственных организаций, занимающихся вопросами усиления железобетонных конструкций.

Разработаны Луганским филиалом НИИСП Госстроя УССР (канд. техн. наук , инженеры , ), НИИСК Госстроя СССР (д-р техн. наук, проф. , канд. техн. наук ), Харьковским Промстрой-НИИпроектом Госстроя СССР (кандидаты техн. наук , , ), НИИЖБ Госстроя СССР (д-р техн. наук, проф.. , кандидаты техн. наук , ).

Замечания и предложения направлять Луганск-31, квартал Димитрова, 23а, филиал НИИСП Госстроя УССР.

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 2. РАСЧЕТ УСИЛЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ 3. КОНСТРУКТИВНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИЯМ УСИЛЕНИЯ (ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОБОЙМ) 4. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА РАБОТ 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА РАБОТ 6. ПРИЕМКА УСИЛЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ПРИМЕР РАСЧЕТА ПРОЧНОСТИ КОЛОН, УСИЛЕННОЙ ОБОЙМОЙ ИЗ ОБЫЧНОГО БЕТОНА ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ПРИМЕР РАСЧЕТА ПРОЧНОСТИ КОЛОННЫ, УСИЛЕННОЙ ОБОЙМОЙ ИЗ САМОНАПРЯЖЕННОГО ЖЕЛЕЗОБЕТОНА ПРИЛОЖЕНИЕ 3 ПРИМЕР РАСЧЕТА ПРОЧНОСТИ КОЛОННЫ, УСИЛЕННОЙ НАРАЩИВАНИЕМ ИЗ ОБЫЧНОГО БЕТОНА ПРИЛОЖЕНИЕ 4 КОНТРОЛЬ САМОНАПРЯЖЕНИЯ НАПРЯГАЮЩЕГО БЕТОНА Литература

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Настоящие рекомендации распространяются на железобетонные элементы, работающие преимущественно на сжатие, усиливаемые замкнутыми обоймами, односторонними наращиваниями или рубашками, при статических и повторно-переменных воздействиях преимущественно в условиях реконструкции и технического перевооружения.

1.2. Настоящие рекомендации разработаны на основе СНиП 2.03.01-84 [1] и СНиП 2.01.07-85 [2], «Пособия по проектированию самонапряженных железобетонных конструкций [8]; РСН 342-86[4]; Рекомендаций по усилению железобетонных конструкций зданий и сооружений реконструируемых предприятий [13]; материалов экспериментально-теоретических исследований сборно-монолитных конструкций, выполненных в НИИСК Госстроя СССР [5, 6, 14, 16].

1.3. Конструкции, усиливаемые без разгружения в момент усиления, должны иметь по условиям безопасного ведения работ следующие соотношения предельной и действующей нагрузок:

колонны, стойки и другие сжатые элементы, воспринимающие статические нагрузки,; колонны и стойки, воспринимающие динамические нагрузки, (динамические нагрузки при производстве работ должны быть сняты). Здесь N - фактическая нагрузка воспринимаемая усиливаемой конструкцией, по материалам обследования; NU - предельная (разрушающая) нагрузка, воспринимаемая усиливаемой конструкцией, установленная расчетом по материалам обследования.

При соединении дополнительной и основной (существующей) арматуры сваркой площадь арматуры, вводимой в расчет на нагрузки в процессе усиления, должна приниматься без учета площади сечения свариваемого стержня, усиливаемой конструкции.

1.4. Проектирование конструкций усиления следует вести в соответствии с требованиями [1].

Обоймы из напрягающего бетона рекомендуется применять в зданиях и помещениях при относительной влажности более 70 % и уровне загружения усиливаемой конструкции N > 0,6NU

Бетоны на напрягающих цементах (НЦ) (напрягающие бетоны) применяются для усиления железобетонных конструкций под нагрузкой c целью включения в восприятие этой нагрузки и частичного перераспределения ее с существующей конструкции на конструкции усиления в процессе твердения и расширения (самонапряжения) напрягающего бетона.

Самонапряжение конструкции, выполненной из бетона на НЦ - это предварительное напряжение, т. е. начальное обжатие бетона, возникающее, при упругом ограничении его расширения находящейся в нем арматурой, усиливаемой конструкцией и другими элементами. Одновременной помощью напрягающего бетона может быть обеспечена водонепроницаемость и защита конструкции от агрессивных сред.

1.5. При применении напрягающего бетона следует руководствоваться требованиями [1] и [8] - в части назначения классов по прочности на сжатие и растяжение, проектных марок и других расчетных характеристик, особенностей расчета и проектирования самонапряженных железобетонных конструкций усиления; ТУ - в части требований к материалам, составам, контроля качества бетонной смеси и технологии производства работ; а также соответствующими стандартами, строительными нормами и другими документами, нормирующими требования к конструкциям, материалам, изделиям и методам их возведения и испытания.

1.6. Для усиления конструкций следует применять тяжелые и мелкозернистые напрягающие бетоны следующих классов по прочности на сжатие: В25; В30; В35; В40; В45; В50; В55; В60; по прочности на осевое растяжение: Вt2; Вt2,4; Вt2,8; Вt3,2; Вt3,6; Вt 4; марок по самонапряжению: Sp0,6; Sp0,8; Sp1; Sp1,2; Sp1,5; Sp2; Sp2,5; Sp3.

Примечание. За марку бетона по самонапряжению принимается среднее значение предварительного напряжения (сжатия) в бетоне, МПа, развивающегося при его твердении в результате расширения при коэффициенте продольного армирования μ = 0,01. Марка по водонепроницаемости для тяжелого и мелкозернистого напрягающего бетона обеспечивается не ниже W12.

1.7. Разгружение конструкций (если оно необходимо) должно производиться, как правило, до уровня 0,65 расчетной нагрузки, но не ниже 0,1-0,2 NU, во избежание появления растягивающие напряжений в бетоне в результате упругого последействия арматуры.

1.8. В приложениях 1, 2, 3 приведены примеры расчетов прочности колонны соответственно усиленной обоймой из обычного бетона, усиленной обоймой из самонапряженного железобетона и усиленной наращиванием из обычного бетона.

2. РАСЧЕТ УСИЛЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

2.1. Расчет сечений, нормальных к продольной оси конструкции, выполняют в соответствии с пп., 3.24-3.28 [1].При этом в пп. 3.15, 3.16, 3.20, 3.24, 3.27 и 3.28 [1] под значениями внешних нагрузок следует понимать сумму внешних усилий, приложенных до и после приобретения монолитным бетоном заданной прочности. Если величина нагрузки превышает 65 % от расчетной, то согласно п. 6.28 [1] дополнительно для расчетных характеристик бетона принимают коэффициенты условий работы γbr1 = 0,9,. арматуры γsr1 = 0,9.

Минимальный класс бетона для элементов усиления назначают в соответствии с п. 6.39 [1].

2.2. При наличии в сжатой зоне сечения двух или более бетонов различных классов (рис. 1) в расчет вводят приведенный бетон, расчетное сопротивление которого определяют по формулам:

Рис.1. Напряженно-деформированное состояние железобетонного элемента при усилении монолитной обоймой:
a - поперечное сечение; б - эпюра деформаций и напряжений до омоноличивания; в - то же, после омоноличивания и догружения; г - эквивалентная эпюра напряжений для приведенного бетона; 1 - усиливаемый элемент; 2 т бетон монолитной обоймы

при частично сжатом сечении (ξ < 1,1 ω)

; (1)

при полностью сжатом сечении (ξ ≥ 1,1 ω)

, (2)

где - расчетное сопротивление i-го бетона; A, Ai - площадь соответственно нормального сечения конструкции и части сечения, образованной i-м бетоном; S, Si - статический момент соответственно площади сжатой зоны бетона и ее части, образованной i-м бетоном, относительно нейтральной оси при ξ = ξRmax (значение ξRmax определяется по формуле (25) [1] при ω > ωmax, где ωmax - характеристика сжатой зоны бетона, определяемая по формуле (26) [1] при значении Rb, равном расчетному сопротивлению наименее прочного бетона).

Значение характеристики сжатой зоны приведенного бетона ω, используемое в формуле (2), а также для выявления случая напряженного состояния сечения (частично сжатое сечение или полностью), определяют по формуле (26) [1] при значении Rb, вычисленном по формуле (1).

Значение ξ в формуле (2) допускается принимать по результатам расчета, выполненного с использованием значения Rb, вычисленного по формуле (1).

Расчет прочности сечений, нормальных к продольной оси элемента, также допускается производить в соответствии с указаниями [9].

2.3. При определении граничных значений относительной высоты сжатой зоны по пп. 3.12, 3.28 [1] в формулах (25) и (69) вместо σSR (σSRi), σS, eli принимают

, (3)

где - напряжения в арматуре от внешней нагрузки, приложенной до омоноличивания, при коэффициенте надежности γj > 1. Значения определяют при наличии начальных трещин в растянутой от полных усилий зоне усиливаемого элемента - по формулам п. 4.15 [1], при отсутствии таких трещин - по формулам сопротивления упругих материалов (в этом случае допускается принимать = 0),

2.4. При определении напряжений в арматурных стержнях по п. 3.28 [1] в формуле (67) вместо принимают

, (4)

причем значение определяется по п. 2.3 настоящих рекомендаций и вводится в расчет со своим знаком.

2.5. При учете влияния прогиба конструкции на ее прочность в соответствии с п. 3.24 [1] условная критическая сила принимается, равной

, (5)

где - начальный модуль упругости наиболее прочного из составляющих бетонов; - момент инерции бетонного сечения, приведенного (по модулю упругости) к наиболее прочному из составляющих бетонов; λ = Es/.

Остальные величины, входящие в формулу (5) принимают в соответствии с п. 3.24 [1].

2.6. Расчет железобетонных конструкций на выносливость, усиленных монолитными обоймами, односторонними наращиваниями или рубашками, выполняют исходя из следующих допущений:

напряжения в бетоне и арматуре определяют как для упругого тела по приведенным сечениям от действия внешних сил и усилия предварительного обжатия. Неупругие деформации в сжатой зоне бетона учитывают снижением величины модуля упругости бетона;

при невыполнении условия σbt, max ≤ Rbt, max площадь приведенного сечения определяют без учета растянутой зоны сечения;

максимальные напряжения в бетоне и арматуре не должны превосходить соответствующих расчетных сопротивлений Rb, mon, Rs. mon, умноженных на коэффициенты условий работы γb1 и γs3; при наличии сварных соединений арматуры - также на коэффициент условий работы γs4. Значения коэффициентов следует принимать по таблицам 16, 25, 26[1].

В случаях, оговоренных в п. 6.28 [1], должны быть учтены коэффициенты условий работы γbr1 и γsr1.

Расчет рекомендуется выполнять в излагаемой ниже последовательности.

Определяют пониженные значения нормативных нагрузок от кранов согласно п. 4.18 [2] или значения польсирующих нагрузок.

Находят минимальные и максимальные усилия от действия подвижной или пульсирующей нагрузок (Мmах, Fmax, Mmin, Fmin).

Определяют напряжения в крайнем растянутом волокне сечения в предположении отсутствия трещин

(6)

где Ared, Jred, Yred - характеристики приведенного сечения конструкции, вычисляемые с учетом коэффициента L', принимаемого согласно п. 3.47 [1]; hmon - высота монолитного бетона.

Если σbt, max > 0, продолжают расчет в предположении работы железобетона без трещин, иначе проверяют условие | σbt, max| ≤ Rbt, mon в случае невыполнения этого условия вычисляют положение нулевой линии, площадь и момент инерции приведенного сечения с учетом образования трещин.

Определяют положение нулевой линии из решения уравнения:

, (7)

где Sb, Ss, i - статические моменты сжатой зоны бетона и i-го ряда арматуры относительно нейтральной оси (статический момент сжатой арматуры принимается со знаком "+" растянутой "-").

Определяют площадь и момент инерции приведенного сечения:

, (8)

, (9)

Определяют напряжения в крайней сжатой фибре сечения:

; (10)

. (11)

Определяют коэффициент асимметрии цикла:

. (12)

Коэффициент условий работы бетона γb1 принимают по табл. 16 [1].

Проверяют соблюдение неравенства:

< Rb, max·γb1 (13)

В случаях, оговоренных в п. 6.28 [1], правая часть неравенства (13) умножается на коэффициент γbr1.

При невыполнении этого условия следует изменить сечение монолитной обоймы или изменить класс бетона обоймы по прочности на осевое сжатие.

Определяют напряжения в растянутой арматуре и коэффициент асимметрии цикла:

; (14)

; (15)

. (16)

По таблицам 25, 26 [1] находят γsr3 и γsr4, проверяют соблюдение неравенства:

< Rs, mon·γsr3·γsr4 (17)

В случаях, оговоренных в п. 6.28 [1] , правая часть неравенства (17) умножается также на коэффициент γsr1.

При невыполнении условия (17) рекомендуется увеличить сечение или изменить класс арматуры.

2.7. Расчет прочности контакта усиливаемого элемента и монолитной обоймы производится исходя, из следующих предпосылок [14]:

контактный слой рассматривается как дисперсная система, состоящая из нормальных и сдвиговых связей. При этом считается, что нормальные связи абсолютно жесткие, а сдвиговые обладают упруго-пластической податливостью;

в качестве критерия исчерпания сопротивления контактного слоя при поликомпонентных контактах (за исключением шпоночных) принимается нарушение сплошности контактного слоя; при шпоночных контактах - срез бетона шпонок на уровне указанного слоя.

Расчет рекомендуется выполнять в излагаемой ниже последовательности.

Определяют касательные напряжения, действующие в плоскости сдвига, как для упругого тела при максимальном и минимальном значениях Q.

; (18)

где - статический момент части сечения отсекаемой плоскостью сдвига относительно центра тяжести приведенного сечения.

Вычисляют суммарное сопротивление сдвигу [5]:

τsh = τgr + τf + τs + τk; (19)

где τgr	- сопротивление за счет сцепления и механического зацепления τgr = k1·k2·Rbt, mon;
τf	- сопротивление за счет трения; τf = k1·σу
τs	- сопротивления за счет работы поперечной арматуры на срез ,

здесь Аsw - площадь сечения поперечной арматуры; Ssw - шаг хомутов; τk - сопротивление за счет работы бетонных шпонок на срез τk = 2k2·Rbt, mon; k1 - характеристика поверхности контакта, определяемая по табл. 1; k2 - характеристика поперечного армирования, определяемая по табл. 2.; k3 = 0,63 - коэффициент трения бетона о бетон; σу - напряжение в плоскости, перпендикулярной плоскости сдвига, возникающее от действия поперечных сил на участке сдвига и обжатия предварительно напряженными хомутами (если таковые имеются). Значения коэффициентов k1 и k2 приняты по [5].

Определяют количество циклов до разрушения, характеризующих долговечность конструкций [16]:

lgnu = 9,34 - 8,67X1 + 1,58X2 + 0,067X3; (20)

где nu - количество циклов до разрушения;

- уровень нагрузки:

- коэффициент асимметрии цикла;

X3 - частота приложения нагрузки, Гц.

Таблица 1

Состояние поверхности контакта сборного элемента:	Значение k1 для класса бетона усиления по прочности
BI2,5	BI5	B30
Поверхность гладкая, сухая; контакт между бетонами осуществляется по нескольким плоскостям	0,9	1,2	1,0
То же, контакт плоский	0,6	0,6	0,5
Поверхность шероховатая, сухая; контакт осуществляется по нескольким плоскостям	1,2	1,6	1,3
То же, контакт плоский	0,8	0,8	0,6

Примечания: 1. Под гладкой подразумевается поверхность как отпечаток деревянной опалубки или заглаженная, вручную по свежему бетону; под шероховатой - поверхность, имеющая искусственные или естественные выступы высотой (или впадины глубиной) до 10 мм.

2. Выступы высотой (или впадины глубиной) 10 мм и более рассматриваются как шпонки,

3. Сопротивление сдвигу за счет сцепления и механического зацепления бетонов контакта, полученного как отпечаток металлической опалубки, не учитывают.

Таблица 2

Значения коэффициента К2 для поперечных стержней диаметром, мм
3	4	5	6	7	8	10	12	16	25
2,2	2,0	1,8	1,6	1,5	1,4	1,3	1,2	1,1	1,0

2.8. При усилении колонн обоймами из напрягающего бетона после приобретения им заданной прочности необходимо оценивать состояние конструкций на действие нагрузок в момент усиления и на эксплуатационные (с целью ограничения предварительных напряжений в арматуре).

Расчет рекомендуется выполнять в такой последовательности.

Согласно исходным данным принимают физико-механические характеристики "старого" бетона, арматурной стали усиливаемой колонны и монолитной обоймы (Rs, bl, Rs, bs, Es, bl, Es, bs) марку бетона по самонапряжению Sp (Rbs).

Определяют напряжения обжатия бетона в процессе самонапряжения

. (21)

где - площадь обоймы из напрягающего бетона; - площадь "старого" бетона; - площадь арматуры, рас-г положенной соответственно в монолитном и "старом" бетоне, - расчетное самонапряжение бетона, принимается по табл. 3 [8];

- коэффициент, принимаемый равным при армировании: одноосном - 1,0, двухосном - 1,2.

Для конструкций» выполняемых с применением НЦ-20, во всех случаях принимается = 1,0.

Вычисляют предварительное напряжение в арматуре обоймы

(22)

При невыполнении условия (22) следует принять арматуру более высокого» класса для армирования обоймы или увеличить ее количество.

Находят усилие разгрузки, перераспределяющееся со стойки на самонапряженную обойму:

Ndum = σpr·As, bs (23)

Усилие разгрузки должно быть воспринято конструктивными упорами по торцам стойки. Если таковые отсутствуют, должно выполняться условие, обеспечивающее надежное сцепление обоймы и усиливаемой стойки:

Ndum ≤ (k1·Rbt + k3·)·p·Н, (24)

где k1, и k3 - принимаются по п. 2.7; Rbt - меньшее из значений прочности на растяжение "старого" и напрягающего бетонов; - напряжения поперечного обжатия:

здесь - коэффициент поперечного армирования; p и H - соответственно периметр и высота усиливаемого участка.

Усилие после разгружения не должно превышать действующую нагрузку на колонну до приобретения бетоном обоймы проектной прочности. В противном случае следует перепроектировать обойму с целью уменьшения Ndum.

После приобретения бетоном усиления заданной прочности расчет составного сечения производится на действие всей нагрузки по п. настоящих рекомендаций.

3. КОНСТРУКТИВНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИЯМ УСИЛЕНИЯ (ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОБОЙМ)

3.1. Для усиления железобетонных конструкций под нагрузкой применяют обоймы с однородным (рис. 2, а, 6, в) и двухрядным (рис. 2, г) расположением арматуры и рубашки (рис. 2, д). При однорядном размещении дополнительная арматура может соединяться с основной сваркой либо без сварки при передаче воздействий через силы сцепления "старого" и "нового" бетонов.

При усилении элементов большой несущей способности (больших размеров сечений) может применяться как однорядное (см. рис. 2, в), так и двухрядное расположение арматуры; В последнем случае устойчивость стержней обеспечивается либо установкой анкеров, заделываемых в тело усиливаемой конструкции, либо постановкой шпилек, соединяющих плоские каркасы в объемный каркас (см. рис. 2, г).

Рис.2. Обоймы усиления:
а, б, в - обоймы с однорядным армированием; г - то же, с двухрядным расположением арматуры; д - рубашка; 1 - усиливаемая колонна; 2 - арматура усиления; 3 - арматурный каркас; 4 - шпилька; 5 - угловой стержень

3.2. При усилении односторонними наращиваниями может применяться соединение дополнительной арматуры с основной как сваркой (рис. 3, а), так и без сварки с использованием наружных предварительно напряженных хомутов (в основном при коррозионном разрушении хомутов и рабочей арматуры усиливаемой конструкции) (рис. 3, 6).

Расстояние между предварительно напряженными шпильками при армировании жесткой арматурой принимается по расчету (по конструктивным требованиям максимальное расстояние между ними не должно превышать 5d, где d - толщина наращивания).

Для улучшения совместной работы "нового" бетона со "старым" одностороннее наращивание, как правило, следует выполнять из напрягающего бетона.

Рис.3. Соединения дополнительной арматуры с основной:
а - соединение сваркой; б - то же, с использованием предварительно напряженных хомутов;. 1 - дополнительная арматура; 2 - существующая арматура; 3 - усиливаемая колонна; 4 - скоба; 5 - арматурный каркас; 6 - предварительно напряженный хомут; 7 - упорный швеллер

3.3. Армирование обойм, наращиваний в зависимости от условий производства работ принимается либо в виде одиночных стержней, либо каркасами (в зависимости от стесненности фронта работ). Наиболее рационально армирование каркасами, в том числе укрупненными с жесткой арматурой и монтажными элементами, обеспечивающими их пространственную жесткость в процессе монтажа.

3.4. Основным способом фиксации дополнительной арматуры в проектном положении является ее жесткое закрепление к телу конструкции или существующей арматуре, примерно через 2 м по высоте.

3.5. Стыки рабочей арматуры для снижения трудоемкости выполнения работ, как правило, следует осуществлять "внахлестку" без сварки (рис. 4).

Рис.4.Стыки рабочей дополнительной арматуры:
1 - усиливаемая колонна; 2 - арматура усиления

3.6. Арматурные каркасы должны удовлетворять требованиям индустриального изготовления (допускать изготовление на точечных машинах, с использованием подвесных сварочных клещей и в минимальных объемах с использованием ручной дуговой электросварки).

3.7. Минимальная толщина стенок обойм, наращиваний назначается с учетом конструктивных и технологических требований:

по конструктивным требованиям минимальная толщина стенок обойм должна быть не менее 50 мм;

по условиям производства работ минимальная толщина должна составлять при устройстве обойм торкретированием δmin = 50 мм;

при поярусном бетонировании в щитовой опалубке высотой до 1м δmin = 80 мм; при бетонировании в опалубке с навесными вибраторами высотой Н ≤ 4 м δmin = 100 мм; при бетонировании в опалубке с навесными вибраторами высотой 4 < Н ≤ 10 м δmin = 200 мм.