Основные принципы проектирования усиления

1. Выбор того или иного метода усиления строительных конструкций зависит от технического задания на реконструкцию здания или сооружения, которое включает возможные изменения объемно-планировочных решений, нагрузок и условий эксплуатации. При этом необходимо стремиться к максимальному сохранению существующих зданий, сооружений и конструкций, что, как правило, обеспечивает минимальные затраты на восстановительные работы.

2. При выборе оптимального способа усиления строительных конструкций важно установить действительный характер их работы, фактически действующие нагрузки. При этом необходимо учитывать современные достижения в оценке влияния фактических узлов сопряжения на усилия в конструкциях и соответствие выбранных расчетных схем реальным условиям их работы.

В частности, расчет существующих колонн по деформированной схеме позволяет существенно повысить их расчетную несущую способность. Аналогичной цели можно добиться, учитывая совместную работу стропильных конструкций и сборных ригелей перекрытий соответственно с плитами покрытия и перекрытия.

3. При определении нагрузок на существующие конструкции необходимо использовать фактические данные о собственной массе технологического оборудования и строительных материалов, так как принятие нормированных значений этих величин, установленных для проектирования вновь возводимых сооружений, приводит к существенному завышению фактически действующих нагрузок и, как следствие, к неоправданному и дорогостоящему усилению конструкций.

4. Определенным резервом снижения материалоемкости и трудозатрат при реконструкции является учет прочностных характеристик бетона и стали при выполнении поверочных расчетов. Однако использование реальных прочностных характеристик материалов должно осуществляться без ущерба для эксплуатационной надежности отдельных конструкций и сооружения в целом.

5. При усилении следует отдавать предпочтение индустриальным способам, которые не требуют разгрузки конструкций, методам, связанным с изменением статической схемы конструкций, использованию предварительного напряжения, высокопрочным сталям, полимер - и фибробетону, напрягающим цементам и другим эффективным материалам.

6. Усиление конструкций предварительным напряжением следует производить, применяя такие конструктивные решения и методы производства работ, при которых соблюдается плавное включение элементов усиления в работу с существующими конструкциями. Для этой цели следует выполнить временную разгрузку усиливаемых конструкций или использовать искусственное регулирование усилий.

7. Усиление строительных и, в частности, железобетонных конструкций является, как правило, трудоемким к дорогостоящим процессом, поэтому принятию решения по усилению должен предшествовать тщательный анализ возможности использования существующих конструкций в новых условиях эксплуатации. Этого можно добиться за счет более рационального размещения технологических нагрузок, применения временных приспособлений для демонтажа и монтажа тяжелого оборудования, принятия обоснованных ограничений на сочетание различных временных нагрузок, путем снижения эффектов динамических воздействий за счет эффективной виброизоляции и т. п.

8. При выборе вариантов усиления следует отдавать предпочтение решениям с четкой расчетной схемой, обеспечивающей совместную работу усиливаемой конструкции с элементами усиления и позволяющей достоверно определить дополнительно воспринимаемую нагрузку. При этом рекомендации по усилению должны учитывать не только перспективу увеличения нагрузок, но и ликвидировать обнаруженные на стадии обследования дефекты изготовления, монтажа и эксплуатации. К последним относятся: отклонения от проекта в величине защитного слоя, ошибки в армировании по диаметрам, классам и количеству арматуры, снижение проектного класса бетона, сверх допустимое отклонение колонн по вертикали, наличие трещин, отколов и каверн в бетоне и т. п.

9. Проект усиления разрабатывается с учетом многих исходных данных: рабочих чертежей строительных конструкций и исполнительных схем, отклонений фактических размеров сечений и узлов от проектных решений, инженерно - и гидрогеологических условий площадки, геодезической съемки здания для определения осадок, прогибов, кренов, смещений и т. п., сроков эксплуатации конструкций, а также величины и характера технологических нагрузок, физико-механических характеристик бетона и арматуры каждого конструктивного элемента, характера технологических процессов в помещениях реконструируемого объекта, интенсивности и распределения нагрузок, прогнозов изменений гидрогеологического режима в процессе реконструкции и последующей эксплуатации, информации об имевших место дефектах строительных конструкций и мероприятиях по их устранению.

К последним относятся повышенные прогибы и перемещения, недопустимое раскрытие трещин, раздробление в сжатой зоне, отслоение защитного слоя бетона, коррозия арматуры и бетона, обрыв рабочей арматуры, нарушение сцепления бетона и арматуры, отклонения в геометрии и армировании и т. п.

10. Усиление конструкций может осуществляться по двум схемам: возведение новых разгружающих или заменяющих конструкций, которые полностью или частично воспринимают дополнительные нагрузки; увеличение несущей способности существующих конструкций,

В свою очередь увеличение несущей способности конструкций может осуществляться: без изменения и с изменением расчетной схемы и напряженного состояния; с применением специальных методов усиления.

11. Для элементов усиления без предварительного напряжения рекомендуется применять рабочую арматуру классов A-I, А-П, A-III; для предварительно напряженных конструкций усиления (шпренгелей, затяжек) — А-III в, A-IV, A-V, A-VI; арматурные канаты классов К-7 и К-19 и др. В конструкциях, эксплуатируемых в агрессивных условиях, рекомендуются стали Ат-IVK, At-VCK, At-VIK.

При длине усиливаемой конструкции до 12 м рекомендуются все виды арматуры, свыше 12 м — канаты из проволоки диаметром не менее 2,5 мм. Стержневая свариваемая арматура может применяться со стыковкой по длине при усилении конструкций любых пролетов. Плохо свариваемая арматура классов Ат-IV, At-V, At-VI At-VIK при больших пролетах стыкуется с помощью обжимных гильз.

Конструкции усиления из канатов и пучков высокопрочной проволоки, расположенных открыто или в пазах, следует применять только в неагрессивных и слабоагрессивных средах.

12. Расчет железобетонных конструкций усиления выполняется с учетом фактических характеристик прочности и армирования материалов.

Бетон усиления должен приниматься на один класс выше, чем условный класс прочности бетона усиливаемого элемента, но не ниже В15 — для надземных конструкций и В12,5 — для фундаментов. Кроме того, при агрессивных условиях эксплуатации класс бетона должен отвечать требуемой плотности и стойкости, соответствующим требованиям эксплуатационной среды.

Раствор для заделки отверстий, защитной штукатурки и т.п. принимается не ниже марки 150.

При усилении бетонных и железобетонных конструкций наращиванием, «рубашками» и обоймами следует использовать портландцемент марки не ниже 400. Для ускорения твердения бетона рекомендуется применение быстротвердеющих цементов и добавок ускорителей твердения, а также тепловой обработки при «мягких» режимах подъема и снижения температур (5...10°С/ч).

13. Эффективность усиления железобетонных конструкций во многом определяется качеством бетонной смеси, видом и крупностью заполнителя. При виброуплотнении бетона крупность заполнителя (за исключением массивных конструкций) принимается не более 20 мм, а при усилении обоймами толщиной 70...120 мм — не более 10 мм. При торкретировании крупность заполнителя определяется паспортными данными цемент-пушки и принимается не более 10 мм. В густоармированных элементах усиления крупность заполнителя не должна превышать 3/4 расстояния в свету между арматурными стержнями. Допускается также применение мелкозернистого и цементно-песчаного бетона прочностью не ниже проектной.

Песок рекомендуется применять с модулем крупности не ниже 2,2...2,5 и с количеством пустот не более 40 %.

Состав бетона должен обеспечить проектную прочность элементов усиления и качественное уплотнение бетонной смеси. При толщине усиления до 120 мм осадка конуса принимается 6...8 см, от 120 до 200 мм — 6...2 см, более 200 мм — 1...3 см. Для улучшения качества уплотнения и снижения расхода цемента рекомендуется применять литые суперпластифицированные бетонные смеси с осадкой конуса не менее 18 см.

При выполнении работ в зимнее время усиливаемые конструкции и бетон усиления должны иметь температуру не менее +15 °С.

14. Минимальная толщина защитного слоя бетона предварительно напряженной арматуры усиления принимается 20 мм. В агрессивных условиях рекомендуется использовать стали марок 18Г2С и 25Г2С. Наиболее ответственные узлы усиления рекомендуется располагать вне зон постоянного увлажнения.

15. Расчет конструкций усиления производится по первой и второй группам предельных состояний. Для конструкций, находящихся в обычных условиях эксплуатации, усиление которых вызвано дефектами и снижением несущей способности, расчет производится только по первой группе предельных состояний.

16. Расчет усиленных конструкций должен учитывать изменение их статической схемы и напряженного состояния. При этом в усиленных статически неопределимых конструкциях необходимо учитывать возможность перераспределения усилий, ограничивая величину перераспределения моментов до 30 %. На отдельных участках конструкций эта величина может быть превышена, однако эти участки должны быть проверены на раскрытие трещин, по прочности сжатой зоны, а в некоторых случаях — по деформациям.

17. При повреждении площади сечений элементов или арматуры более чем на 50 % несущая способность существующей конструкции в расчетах не учитывается и вся нагрузка передается на элементы усиления.

При приварке к существующей арматуре стержней усиления ее расчетное сечение следует снижать на 25 % в связи с возможным пережогом при сварке. Расчетное сечение существующей арматуры следует принимать с учетом возможных повреждений вследствие коррозии и других причин. Особенно опасны коррозионные повреждения для высокопрочной проволоки. При их обнаружении арматуру усиления следует рассчитывать на полную нагрузку, не учитывая существующее армирование из высокопрочной проволоки.

18. При изгибе и внецентренном сжатии совместная работа элементов усиления с усиливаемой конструкцией может учитываться только при обеспечении их надежного соединения.

19. Как и в обычных конструкциях, расчет прочности усиленных элементов производится для сечений нормальных и наклонных к продольной оси элемента, а также на местное действие нагрузки, вызывающее смятие, продавливание, отрыв. При наличии крутящих моментов следует проверить прочность пространственных сечений.

20. Нормативные и расчетные значения прочностных характеристик бетона и арматуры элементов усиления принимаются в соответствии со СНиП 2.03.01—84, те же характеристики для усиливаемого элемента принимаются в соответствии с рекомендациями, изложенными выше.

21. Если в усиленном элементе применены бетоны и арматура различных классов, каждый вид бетона и арматуры вводится в расчет со своими расчетными сопротивлениями. При этом центр тяжести всего усиленного элемента и статические моменты рекомендуется определять, приводя все расчетное сечение к бетону одного класса.

22. При разгрузке усиливаемых конструкций до нагрузок, не превышающих 65 % максимальных, расчетные характеристики бетона и арматуры принимаются равными их нормативным значениям. При невозможности разгрузки конструкций и превышении указанного уровня сопротивления бетона и арматуры уменьшаются на 20%.

23. При применении комплексного усиления (бетон — металл) следует учитывать в расчетах податливость узлов сопряжения, которая при металлических упорах на бетон через слой раствора принимается в пределах 1...5 мм/узел, а при сопряжении металла с помощью болтов — 1 мм/узел.