Дефекты строительных конструкций

1. Дефекты фундаментов

1.1.Общие сведения

l Под дефектами фундаментов подразумевают такое их состояние, когда опирающиеся на них конструкции получают недопустимые деформации

l В зависимости от жесткости здания или сооружения и характера развития неравномерных осадок различают следующие формы деформаций зданий и сооружений совместно с основанием:

1. Крен – вертикальная ось здания или сооружения отклоняется от первоначального положения;

2. Прогиб – большее развитие осадки в средней части здания и меньшее у торцов;

3. Перегиб (выгиб) – большее развитие осадки у торцов и меньшее в средней его части;

4. Перекос – резкая неравномерность развития деформаций на коротком участке по длине здания.

1.2. Дефекты фундаментов из-за ошибок при проектировании

lНаиболее частая причина ошибок при проектировании - неполнота данных о геологическом строении и гидрологических характеристиках района строительства.

lНе всегда при проектировании учитывается конфигурация здания в плане.

lНе всегда учитывают влияние изменения гидрологических условий площадки строительства на грунтовое основание.

lВ зданиях без подвала кирпичные перегородки обычно ставят на монолитные бетонные фундаменты небольшого поперечного сечения, уложенные на грунт. Грунт в пределах здания является насыпным и плохо уплотненным. В таких условиях перегородки вскоре после их возведения получают большие осадки. Края перегородок имеют достаточную связь со стенами, а середина опускается. Необходимо отказаться от опирания перегородок на грунт и проектировать под ними рандбалки, уложенные на фундаменты стен.

1.3. Дефекты возведения фундаментов

l Нарушение технологии котлованных работ

- нарушение естественной структуры грунтов под подошвой фундамента;

- отрывка котлована на глубину большую, чем предусмотрено проектом;

- промораживание грунтов в основании фундаментов.

Недопустим открытый водоотлив в ленточных глинах, так как при нем вместе с водой удаляются и частицы грунта.

Если в процессе отрывки котлована его дно оказалось ниже проектной отметки, необходимо произвести подсыпку песчаным грунтом или щебенкой. Но даже в этом случае неизбежны неравномерные осадки, от которых не спасает даже устройство армированных поясов. Лучшим решением будет понижение отметки подошвы фундаментов до дна отрытого котлована .

Если строительные работы возобновляются (после длительного перерыва) без выполнения специальных мер, разработанных с учетом реального состояния грунтов основания, то неизбежны большие неравномерные осадки фундаментов и деформации надземных конструкций.

l Снижение прочности бетона по сравнению с проектной;

l Несоответствие арматуры по диаметру и классу проектной;

l Несоблюдение требуемой толщины защитного слоя бетона;

l Смещение арматуры из проектного положения;

l Уменьшение проектных размеров фундаментов;

l Смещение фундаментов в плане и по высоте;

Смещение фундаментов в плане делает невозможным нормальное возведение надземной части здания. Колоны в этом случае получают либо соответствующее смещение в плане, либо наклон, а элементы перекрытий - недостаточное опирание. Смещение в плане ленточных фундаментов приводит к эксцентриситету приложения нагрузки от стен. Смещение фундаментов под колонну по высоте приводит к необходимости углубления дна стакана или уменьшению глубины заделки колонны в фундаменте. В первом случае может произойти продавливание фундамента колонной, а во втором – не обеспечивается достаточная заделка колонны в фундаменте.

l Некачественное выполнение монолитных железобетонных поясов в фундаментах;

l Отсутствие или некачественное выполнение горизонтальной и вертикальной гидроизоляции фундаментов.

Для горизонтальной гидроизоляции нельзя применять рулонные материалы на бумажной основе, пропитанные нефтепродуктами (рубероид, пергамин), так как они быстро разрушаются под воздействием микробов и теряют свои гидроизоляционные свойства.

1.4. Дефекты оснований и фундаментов, вызванные несоблюдением правил эксплуатации зданий и сооружений.

l Увлажнение основания из-за неисправности инженерных систем.

l Снижение прочности фундаментов вследствие протечек, устройства отверстий для пропуска коммуникаций, проливов агрессивных жидкостей.

l Ошибки при реконструкции зданий:

- водоотлив из нового котлована

- водопонижение с помощью иглофильтров

- открытые подвальные помещения в зимний период

- углубление пола подвала

Если конструкция тела фундамента позволяет углублять пол подвала, то глубина подвала должна определяться расчетом, но в любом случае подошва фундамента не может приближаться к отметке пола подвала менее чем на 0,5 м.

2. Дефекты каменных конструкций

2.1. Дефекты возведения

l Неоднородность растворной постели.

l Применение вида и марок кирпича и раствора не соответствующих проектным.

l Некачественная перевязка камней в кладке, отсутствие перевязки продольных стен с поперечными.

l Утолщение горизонтальных швов кладки против предусмотренных нормами.

l Плохое заполнение раствором вертикальных швов кладки.

l Укладка прогонов и балок на стены и столбы без опорных плит. недостаточная длина опирания перемычек на стены.

l Пропуск или уменьшение количества арматуры в армокаменных конструкциях.

l Некачественное выполнение металлических покрытий парапетов, карнизов и поясков, а также примыканий кровли к стенам.

l Неправильное выполнение температурных, осадочных и антисейсмических швов.

2.2. Дефекты эксплуатации

l Трещины в кладке выше и ниже опорных частей ж.б. перемычек из-за разности коэффициентов линейного температурного расширения кладки и железобетона.

l Трещины в кладке над дверным проемом из-за отсутствия перемычки

l Выветривание кирпича и раствора вследствие увлажнения стены из-за отсутствия карниза и размораживания в зимний период.

l Вертикальные трещины в цокольной части стен из-за осадок фундаментов

l Вертикальные трещина в арочных перемычках из-за температурных деформаций

l Вертикальные трещины в карнизной части стен из-за дефектов стропильной системы (распор)

l Вертикальные трещины в карнизной части стен из за дефектов фундамента

l Вертикальная трещины в арочных перемычках над дверными и оконными проемами вследствие многолетней эксплуатации

l Разрушение наружной облицовки стен вследствие увлажнения стены и размораживания в зимний период из-за недостаточного вылета карнизов.

3. Дефекты стен крупнопанельных зданий

l Дефекты изготовления

- снижение прочности

- отступление от проектных размеров

- выход из вертикальной плоскости

l Дефекты монтажа

- некачественное выполнение горизонтальных и вертикальных стыков

- некачественное устройство стальных связей

- смещение стеновых панелей из проектного положения

- применение для монтажа заведомо непригодных панелей

l Дефекты эксплуатации

- увлажнение атмосферными осадками, размораживание, растрескивание бетона

- коррозия рабочей арматуры

- механические повреждения подъемно-транспортным оборудованием

4. Дефекты сборных железобетонных колонн и ригелей

4.1. Дефекты изготовления

- несоответствие диаметра, количества, марок и классов стали арматурных стержней, а также их положения в сечении элемента проектным условиям

- снижение прочности бетона

- несоблюдение толщины защитного слоя бетона

- отклонение геометрических размеров от проектных значений сверх предусмотренных допусками

- наличие трещин, сколов и каверн в бетоне.

- отступление предварительного напряжения арматуры ригелей от значений, принятых в проекте

4.2. Дефекты монтажа

- отклонение оси колонны от вертикали; смещение колонн в плане

- несоблюдение высотных отметок колонн и их консольных выступов

- замена ванной сварки на дуговую с накладками в стыках элементов колонн

- омоноличивание стыков колонн бетоном низкого качества

- применение для монтажа колонн с явно выраженными дефектами

- смещение осей балок (ригелей) с осей колонн

- неправильное выполнение соединений балок (ригелей) с колоннами

4.3. Дефекты эксплуатации

- коррозионное растрескивание бетона

- механические повреждения защитного слоя бетона

- приварка крепежных элементов технологических трубопроводов к рабочей арматуре

5. Дефекты сборных железобетонных ферм

l Железобетонные фермы состоят из сжатых и растянутых элементов. Работают фермы по плоской балочной схеме. В связи с этим дефекты изготовления и монтажа железобетонных ферм могут быть такими же, как и у колонн и балок. И последствия дефектов стропильных ферм аналогичны последствиям соответствующих дефектов колонн и балок

l При изготовлении ферм особое внимание должно уделяться армированию узлов. Надежная анкеровка арматуры в узлах ферм является гарантией их прочности.

l Складировать и перевозить железобетонные фермы можно только в вертикальном положении.

6. Дефекты сборных железобетонных плит перекрытий и покрытий

6.1. Дефекты изготовления

l Малый защитный слой бетона сетки полки плиты.

l Малый защитный слой бетона продольной рабочей арматуры.

l Превышение допустимых отклонений геометрических размеров из-за изношенности опалубки.

l Плохое уплотнение бетонной смеси при вибрировании, каверны и пустоты, оголение арматуры на отдельных участках.

l Искривление плиты из плоскости, после распалубки

6.2. Дефекты эксплуатации

l увлажнение плит покрытия атмосферными осадками

l увлажнение плит перекрытия вследствие протечек из инженерных систем и технологических трубопроводов

l размораживание пустотных плит при длительных перерывах в строительстве

l коррозионное растрескивание бетона вдоль стержней арматуры

l пробивка непроектных отверстий для пропуска коммуникаций

7. Дефекты монолитных железобетонных конструкций

7.1. Дефекты изготовления

l Недостаточно жесткая, сильно деформирующаяся при укладке бетона опалубка

l Плохое уплотнение бетонной смеси при ее укладке в опалубку

l Применение слишком жесткой бетонной смеси при густом армировании

l Плохой уход за бетоном в процессе его твердения

l Недостаточное утепление при зимнем бетонировании

l Ранняя распалубка конструкции

7.2. Дефекты эксплуатации

l Увлажнение конструкций атмосферными осадками

l увлажнение конструкций вследствие протечек из инженерных систем и технологических трубопроводов

l коррозионное растрескивание бетона вдоль стержней арматуры

8. Дефекты стальных конструкций

8.1. Дефекты изготовления

l Смещение осей элементов от проектных геометрических центров узлов сопряжения некоторых элементов

l Не прямолинейность стержневых элементов отсутствие требуемых зазоров между стыкуемыми элементами или превышает их допустимых значений

l Уменьшение длины сечения сварных швов, низкое качество сварки, окрашивания швов с не отбитым шлаком; подрезы металла несущих элементов при сварке

l Грунтовка и окраска без очистки от ржавчины

l Неправильная строповка и складирование

8.2. Дефекты монтажа

l Нарушение правильной последовательности монтажа

l Смещение конструкций с проектных отметок и осей

l Повреждение конструкций при монтаже

8.3. Дефекты эксплуатации

l Нарушение влажностного режима помещений без усиления антикоррозионной защиты

l Протечки кровли и попадания влаги на конструкции

l Отсутствуют профилактические работы по поддержанию антикоррозионной защиты

l Увеличение нагрузки за счет увлажнения утеплителя при протечках кровли

l Проведение дополнительных работ при реконструкции, приводящих к нарушению целостности стальных конструкций

Лекция 2.

Усиление фундаментов.

1. Усиление ленточных фундаментов

2. Усиление столбчатых фундаментов

3. Переустройство ленточных фундаментов в плитные

4. Усиление фундаментных плит

Лекция 3.

Усиление фундаментов (продолжение)

5. Усиление ленточных и столбчатых фундаментов передачей нагрузки на сваи

6. Устройство фундаментов вблизи существующих зданий

Лекция 4.

Усиление железобетонных конструкций.

1. Усиление сборных железобетонных плит покрытий и перекрытий.

2.Усиление узлов опирания ригелей, плит покрытий и перекрытий.

Лекция 5.

Усиление железобетонных конструкций.(продолжение)

3. Усиление железобетонных балок, усиление опорных частей балок.

4. Усиление монолитных железобетонных конструкций.

5. Восстановление защитных слоев бетона.

Лекция 6.

Усиление железобетонных конструкций.(продолжение)

6. Усиление элементов ферм обоймами.

7. Усиление элементов ферм тяжами.

8 . Усиление ж.б. колонн железобетонными обоймами.

8 . Усиление ж.б. колонн стальными обоймами.

9. Усиление узлов опирания балок на ж.б. колонны.

Лекция 7.

Расчет усиления железобетонных конструкций.

1. Выполнение поверочных расчетов эксплуатируемых железобетонных конструкций с учетом дефектов и повреждений.

Фактическое состояние железобетонной конструкции должно, учитываться в поверочных расчетах на трех периодах ее работы: период от начала обследований до начала строительных работ; период, соответствующий времени проведения реконструкции (работа конструкций по временной схеме с учетом монтажных работ и т.п.); период, соответствующий эксплуатации конструкций после реконструкции.
При выполнении расчетов должны быть проверены сечения конструкций, имеющие дефекты и повреждения, а также сечения, в которых принатурных обследованиях выявлены зоны бетона, прочность которых меньше средней на 20% и более

Расчетные характеристики арматуры определяются в зависимости от класса арматурной стали рассчитываемой конструкции. При отсутствии данных испытаний арматуры и невозможности отбора образцов допускается назначать расчетные сопротивления арматуры растяжению Rs в зависимости от профиля арматуры: -для гладкой арматуры Rs = 155 МПа (1600 кгс/см2)
-для арматуры периодического профиля: с одинаковым заходом на обеих сторонах профиля («винт») Rs =245 МПа (2500 кгс/см2); -с одной стороны правый заход, а с другой — левый («елочка») Rs =295 МПа (3000 кгс/см2 ).
Арматурные стержни, диаметр которых в результате коррозии уменьшился более чем на 50% в расчетах не учитываются.
Степень ослабления площади, сечения арматурных стержней коррозией оценивают из выражения

где d0 - исходный диаметр, см; dk – фактический диаметр

При наличии в конструкции наружных слоев с пониженной прочностью бетона (на глубину, превышающую величину защитного слоя) в расчете несущей способности и деформативности допускается принимать либо полное сечение элемента с единой пониженной прочностью в пределах всего сечения, либо уменьшенные размеры (за вычетом слоев с пониженной прочностью) с фактической прочностью оставшегося сечения. При этом во всех случаях принимаемая в расчет фактическая прочность бетона не должна быть меньше 10 МПа. Слои бетона с меньшей прочностью в расчете не учитываются.

Если в результате поверочных расчетов по оценке несущей способности, трещиностойкости и деформативности полученные значения удовлетворяют требованиям СНиП, конструкция считается пригодной к дальнейшей эксплуатации. В противном, случае необходимо выполнять ремонтно-восстановительные работы.

2. Общие сведения о расчетах усиления ЖБК.

Статические расчеты усиленных элементов конструкции при изменении их первоначальной статической схемы или напряженного состояния после усиления должны проводиться с учетом новой статической схемы или напряженного состояния элемента.
Усилия, действующие в элементах статически неопределимых железобетонных конструкций, рекомендуется рассчитывать с учетом пластических деформаций и ограничивать их величиной до 30%. При необходимости возможны превышения указанного предела, но тогда в сечениях или на участках, где допущено такое превышение, требуется дополнительная провёрка по раскрытию трещин.
При расчете усиления ненапряженных элементов коэффициент условий работы принимается в зависимости от степени разгрузки усиливаемого элемента. При полной разгрузке он равен 0,95; при разгрузке достигшей 75% расчетной величины — 0,9; 50% — 0,8; 25% — 0,7.

Элементы, усиливаемые железобетонными рубашками и наращиванием, рассчитываются вместе с усилением, как монолитные. При этом повреждения элементов или их дефекты учитываются снижением полученной прочности в процентном соотношении.
Элементы усилений, являющиеся для усиливаемой конструкции разгружающими системами и с ней не замоноличиваемые, рассчитываются как самостоятельные или составные системы. При этом усилия в старой (усиливаемой) и новой (усиливающей) частях конструкции определяются по правилам строительной механики.
При расчетах необходимо учитывать возможность повреждения стержней поджогом при сварке и поэтому сечение старой арматуры принимается ослабленным на 25%.
Необходимое количество дополнительной арматуры устанавливается расчетом усиленной конструкции. Усиление металлическими обоймами рассчитывается как самостоятельная конструкция, при этом гибкость ее определяется с учетом расположения крепления к усиливаемой железобетонной конструкции

3. Усиление сжатых железобетонных элементов.

Прочность сжатых железобетонных колонн, усиленных железобетонной обоймой по адгезионной промазке, при загружении продольной силой приложенной с эксцентриситетом равным случайному и при l020h проверяется по условию

где N— продольное сжимающее усилие от расчетных нагрузок;
— коэффициент условий работы, равный 0,9 при h<200 мм и I при h>200 мм; — коэффициент продольного изгиба усиленной колонны определяемый по формуле; — коэффициент условий работы обоймы, равный: 0,9 — при использовании предварительно напряженной поперечной арматуры; 0,8 — при выполнении поперечной арматуры в виде обычных замкнутых хомутов;

Rb — призменная прочность бетона усиливаемой колонны, соответствующая фактической кубиковой прочности выявленной при проведении обследований; Rb’rcr— расчетная призменная прочность бетона обоймы; Rsc, Rsc’rcr— расчетное сопротивление арматуры соответственно усиливаемой конструкции и обоймы; А, Arcr — площадь поперечного сечения бетона соответственно усиливаемой колонны и обоймы; Аs, Аs’rcr, — площадь сечения продольной арматуры соответственно усиливаемой колонны и обоймы

Коэффициент продольного изгиба усиленной колонны, учитывающий длительность загружения, гибкость и характер ее армирования, определяется по экспериментальной зависимости

Формула справедлива при усилении колонны на всю высоту. При усилении колонны только в пределах перегруженных и поврежденных участков следует также определять по формуле, как для колонны до усиления без учета сечения обоймы Arcr и дополнительной арматуры As’rcr.

Площадь сечения бетона обоймы усиления определяется по формуле:

а расчетная толщина монолитной железобетонной обоймы по формуле:

Площадь сечения продольной дополнительной арматуры определяется из условия, а прочность усиленной колонны проверяется по формуле с учетом полученных при расчете значений и Аs’rcr. Формула приемлема, когда нагрузка перёдается на обойму, имеющую опору снизу. Если нагрузка передается на обойму, не имеющую опоры снизу, то к Rb’rcr в формулах вводится коэффициент условий работы равный 0,7; при отсутствии непосредственной передачи нагрузки на обойму этот коэффициент равен 0,35.

Семестр

Лекция 8.

Расчет усиления железобетонных конструкций (продолжение).

4. Усиление изгибаемых железобетонных элементов.

Расчет изгибаемых элементов, усиленных обоймами, рубашками, наращиванием или установкой в тело конструкции дополнительной арматуры на полимеррастворе производят также, как балок с увеличенным сечением бетона и арматуры.

4.1. Обойма наращивания в растянутой зоне

Обычно толщина обоймы или наращивания в растянутой зоне элемента задается. Количество дополнительной арматуры определяют по формуле

где параметры А и Вопределяют по формулам

Величину сжатой зоны железобетонного сечения определяют по формуле

Если существующая арматура (Аs )расположена на расстоянии более 0,5 (h0-x) от растянутой грани усиленного сечения, то в формулах для этой арматуры принимается расчетное сопротивление 0,8 Rs.

4.2. Обойма наращивания в сжатой зоне

Условие равновесия расчетного сечения по изгибающему моменту с наращиванием в сжатой зоне относительно центра тяжести сжатой зоны имеет вид:

Высоту сжатой зоны балок с двойным армированием определяют по формуле

Количество надопорной арматуры можно увеличить постановкой дополнительных стержней в толще наращивания. Ориентировочно площадь этой дополнительной арматуры определяют по формуле

где Мар — опорный изгибающий момент после усиления;
As’sup, Rs’sup— соответственно площадь добавочной арматуры и ее расчетное сопротивление; A0s, R0s — площадь и расчетное сопротивление существующей надопорной арматуры; h0 , h01 — рабочая высота надопорного сечения до наращивания и после наращивания.

4.3. Полимеррастворное покрытие в растянутой зоне

Условие прочности изгибаемого элемента с полимеррастворным покрытием в растянутой зоне по из изгибающему моменту относительно центра тяжести сжатой зоны сечения имеет вид

где М — изгибающий момент, воспринимаемый сечением со- ставной балки; Мb— изгибающий момент, воспринимаемый железобетонной балкой без покрытия; Мp— изгибающий момент воспринимаемый полимерным покрытием; к — коэффициент условий работы полимерного покрытия растянутой зоны балки составного сечения, учитывающий усадочные напряжения, появление трещин в полимеррастворе до разрушения и т. п., принимаемый равным 0,65.

Учитывая что

формулу запишем в виде

Высота сжатой зоны x для балки составного сечения определяется из условия

где Rpt - расчетное сопротивление полимерраствора на растяжение; Rb — призменная прочность бетона усиливаемой конструкции, соответствующая фактической кубиковой прочности; Аp— площадь поперечного сечения полимерраствора.

Оптимальная высота слоя полимерного покрытия из условия прочности

Следует отметить, что наряду с увеличением прочности полимерные покрытия снижают деформативность изгибаемых элементов, особенно до появления трещин в бетоне. Наибольший эффект снижения деформативности происходит при нанесении покрытия по трем граням конструкции (боковым и растянутой) за счет перераспределения напряжений между покрытием и бетоном. Кроме того полимерные покрытия, уплотняя поверхностную структуру бетона, частично устраняют очаги трещинообразования, воспринимая дополнительные напряжения, значительно повышают трещиностойкость железобетонных конструкций, что немаловажно при эксплуатации в условиях

Лекция 9.

Усиление металлических конструкций.

1. Общие положения.

Основными способами усиления конструкций являются:

увеличение площади поперечного сечения отдельных элементов конструкции;

изменение конструктивной схемы всего каркаса или отдельных элементов его, в результате чего меняется расчетная схема;

регулирование напряжений.

Каждый из этих способов может применяться самостоятельно или в комбинации с другим. При выборе способа усиления и разработке проекта усиления необходимо учитывать требования монтажной технологичности.

При конструктивном оформлении усиления путем увеличения сечений необходимо:

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.);

не принимать решений, затрудняющих 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 требуется:

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.

Элементы усиления необходимо проектировать, как правило, ориентируясь на полное изготовление их в заводских условиях. В особых случаях допускается изготовление деталей усиления с припуском и последующей обработкой на месте установки.

Присоединение деталей усиления к конструкциям выполняется с помощью сварки, на болтах класса точности А и В или высокопрочных. В случае опасности возникновения хрупкого или усталостного разрушения присоединение осуществлять на высокопрочных болтах или болтах класса точности А. При соответствующем обосновании допускается применение дюбелей и самонарезающих винтов.

Марку стали элементов усиления следует назначать по табл. 50 СНиП II-23-81 * с учетом качества стали усиливаемой конструкции. Если эти конструкции выполнены без сварки и отсутствуют данные о свариваемости стали, то для их усиления сварку можно применять только после проведения оценки свариваемости.

Применяемая для элементов усиления сталь, как правило, не должна уступать по качеству металлу усиливаемых конструкций (по механическим свойствам, вязкости и свариваемости).

При усилении конструкций, эксплуатируемых в агрессивной среде, коррозионная стойкость металла элементов усиления должна быть не ниже стойкости металла усиливаемой конструкции.

2. Усиление балок и прогонов увеличением сечений

4- линия обреза ребра; 5- надставка ребра по месту

3. Усиление балок и прогонов изменением конструктивной схемы

а) и б) – превращение разрезной конструкции в неразрезную

в) и г) – установка дополнительных подкосов

д) и е) – установка шпренгелей

ж) и з) – устройство дополнительных затяжек

и) и к) – подведение дополнительных балочных конструкций

4. Исправление повреждений сварных балок. Разрыв нижнего пояса и пробоины в стенке

1- линия обреза; 2- линия обрыва

5. Исправление повреждений сварных балок. Усиление вмятины в стенке около опоры

3- контур вмятины

6. Усиление центрально сжатых и центрально растянутых элементов ферм

7. Усиление узлов крепления стержней стропильных ферм

8. Усиление колонн путем увеличения сечения

9. Усиление колонн предварительно изогнутыми элементами с последующим выпрямлением

Лекция 10.

Основные положения расчета элементов металлических конструкций, усиливаемых под нагрузкой.

1. Общие положения.

Расчет выполняется только для тех частей зданий и сооружений, на которые влияют усиление, изменение режима эксплуатации, дефекты и повреждения.

Для конструкций, не имеющих дефектов и повреждений, расчет допускается ограничивать сопоставлением значений внутренних усилий (моментов, поперечных сил и т. п.) от расчетных нагрузок со значениями усилий, приведенными в первоначальной технической документации, а при изменении только нагрузок без изменения их характера и способа приложения - сопоставлением их значений.

При расчете конструкций, усиление которых выполняется под нагрузкой, необходимо учитывать напряжения, существующие в сохраняемых конструкциях в момент усиления, и последовательность включения в работу дополнительных конструкций, деталей усиления и раскрепления.

При расчете усиливаемых под нагрузкой элементов на устойчивость и деформативность следует учитывать начальные и дополнительные их деформации, возникающие на стадии усиления (в частности, дополнительные прогибы, возникающие при усилении с помощью сварки).

Искривления от сварки при проверке устойчивости сжатых и внецентренно сжатых элементов и элементов, работающих на сжатие с изгибом, допускается учитывать введением дополнительного коэффициента условий работы g_с = 0,8.

При расчете усиления элементов конструкций на прочность и деформативность коэффициенты условий работы принимаются в соответствии с указаниями разд. 4 СНиП II-23-81*. В расчетах на общую устойчивость коэффициент условий работы g_с принимается равным 0,9, если только табл. 5 СНиП II-23-81* не определено меньшее значение g_с.

Статический расчет конструкций, усиливаемых путем увеличения сечений без полной разгрузки, необходимо выполнять:

на нагрузки, действующие на конструкции во время усиления (начальное нагружение);

на нагрузки, которые будут действовать на конструкции после их усиления, с выбором невыгодных вариантов их сочетания.

Уровень начального нагружения элементов ограничивается с целью обеспечения их несущей способности в процессе усиления в зависимости от нормы предельных пластических деформаций в соответствии с их классом. Этот уровень начального нагружения характеризуется коэффициентом b₀ представляющим собой абсолютную величину отношения наибольшего напряжения в усиливаемом элементе в момент усиления к его расчетному сопротивлению (b₀ = |s_0,max/R_yo|). В общем случае сжатия (растяжения) с изгибом значения s₀ определяются формулой

,

где N₀, М_0x, М_0y - продольная сила и изгибающие моменты в наиболее нагруженном сечении элемента.

При расчете усиления гибких сжато-изогнутых или внецентренно сжатых стержней моменты М₀ вычисляются по деформированной схеме с учетом прогибов стержня

,

где е = M’₀/N₀ - начальный эксцентриситет продольной силы; М’₀ - расчетное значение момента, вычисляемое по недеформированной схеме;

.

f₀ - начальный прогиб элемента.

В случае М₀ = 0 необходимо учитывать малые случайные эксцентриситеты произвольного направления, определяемые формулой

,

где т₀ - случайное значение начального относительного эксцентриситета, принимаемое в функции гибкости l₀, по графику; W_p - момент сопротивления неусиленного сечения.

Расчетное значение f₀ принимается не менее замеренного при натурном обследовании конструкций. При усилении искривленных центрально-сжатых стержней направление их определяется направлением их начального прогиба.

Предельный уровень начального нагружения элементов для конструкций, усиливаемых с помощью сварки, в зависимости от класса конструкций ограничивается, как правило, условиями:

b₀ £ 0,2 для I класса;

b₀ £ 0,4 » II »;

b₀ £ 0,8 » III и IV классов.

Если указанные условия не выполняются, то необходима либо предварительная разгрузка конструкций, либо использование специальных технологических мероприятий при усилении, обеспечивающих ограничение деформаций конструкций (в частности, сварочных).

2. Присоединение элементов усиления.

При усилении статически нагруженных конструкций III и IV классов, эксплуатируемых при температуре выше минус 30° С в неагрессивной, среде, рекомендуется использовать прерывистые (шпоночные) швы. Шаг шпонок следует принимать максимально допустимым по расчету, но не свыше 80i_min в растянутых и 40i_min в сжатых элементах усиления. Здесь i_min - минимальный радиус инерции элемента усиления относительно его собственной центральной оси.

Для конструкций I и II классов использование прерывистых швов не допускается.

Расчет непрерывных участков шпоночных швов осуществляется на сдвигающее усилие

,

где Q_max - наибольшая поперечная сила в пределах длины элементов усиления.

Для сжатых стержней Q_max ³ Q_fic, где Q_fic - условная поперечная сила для усиленного стержня, определяемая по п. 5.8 СНиП II-23-81*;

S_r - статический момент элемента усиления относительно центральной оси усиленного сечения; а_w - шаг шпонок шва.

Минимальные длины участков шпоночных швов определяют по выражению

см,

где a_w - коэффициент, характеризующий распределение усилий между швами, прикрепляющими элемент усиления к основному стержню и равный доле общего усилия Т, относящийся к рассматриваемому шву. Здесь и далее под b_w, g_w и R_w подразумеваются значения b_f и b_z, g_wf и g_wz, R_wf и R_wz, принимаемые по п. 11.2 СНиП II-23-81* для двух расчетных сечений. Длину участка шпоночного шва следует принимать не менее 50 мм.

Минимальный катет сплошных швов, крепящих элементы усиления, определяется выражением

.

3. Расчет усиленных элементов на прочность.

Проверка прочности элементов I, II и III классов осуществляется по критерию краевой текучести, и выполняется по формулам:

центрально-растянутые или сжатые симметрично усиленные элементы

,

где g_N - коэффициент, учитывающий уровень и знак начальной осевой силы; для растянутых и сжатых элементов, усиленных без использования сварки g_N= 0,95; для сжатых элементов, усиленных с помощью сварки, - g_N = 0,95 - 0,25b₀;

изгибаемые элементы

;

сжато- и растянуто-изогнутые элементы

.

В формулах для элементов 1 класса принимается g_M= 0,95; для элементов II и III классов - g_M= 1. При N /(A_nR_y0) ³ 0,6 значения g_M принимаются равными g_N.

Проверку прочности изгибаемых и сжато- или растянуто-изогнутых элементов по касательным, местным и приведенным напряжениям производят обычным способом но указаниям разд. 5 СНиП II-23-81* с учетом изменившихся геометрических характеристик сечения.

4. Расчет усиленных элементов на устойчивость.

Расчет на устойчивость сжатых элементов сплошного сечения в плоскости действия моментов выполняется по формуле

,

где j_e - коэффициент, определяемый по табл. 74 СНиП II-23-81* в зависимости от условной гибкости усиленного элемента и приведенного относительного эксцентриситета m_ef = hm_f; A - площадь усиленного сечения; h коэффициент влияния формы сечения по табл. 73 СНиП II-23-81*.

,

где e_f - эквивалентный эксцентриситет, учитывающий особенности работы усиленного стержня; W_c - момент сопротивления для наиболее сжатого волокна; R*_y - осредненное значение расчетного сопротивления; g_с - коэффициент условий работы, принимаемый не более 0,9.

Рис. 19. К определению эксцентриситета продольной силы при положительном (а) и отрицательном (б) значениях

Устойчивость центрально-сжатых симметрично усиленных элементов проверяется в плоскости их наибольшей гибкости (l_x> l_y). Если отношение гибкостей после усиления изменилось (l_x> l_y), но l_0x< l_0y, то проверка устойчивости выполняется относительно обеих главных осей сечения.

Расчетное значение эквивалентного эксцентриситета определяется по формуле

,

Если сварочный прогиб f_w является разгружающим фактором (знак f_w не совпадает со знаком суммы с + f_*) и приводит к уменьшению абсолютной величины эквивалентного эксцентриситета, то значение k_w принимается равным 0,5; в противном случае k_w = 1.

В формуле е - эксцентриситет продольной силы относительно центральной оси усиленного сечения после усиления. В тех случаях, когда эксцентриситет продольной силы остается неизменным, его значение определяется выражением е = е₀ - е_A, где е_A - смещение центра тяжести сечения при усилении, принимаемое со своим знаком (рис. 19, а и б).

В общем случае сжатия с изгибом, а также в случае приложения дополнительных продольных или поперечных сил после усиления, величина е определяется выражением е = М/N, где М - расчетный момент относительно центральной оси усиленного сечения.

При несимметричном усилении центрально-сжатого (первоначально) элемента в качестве е₀ учитывается случайный эксцентриситет, при этом знак случайного эксцентриситета принимается таким, чтобы учесть наиболее неблагоприятный случай.

В случае использования элементов усиления из стали, расчетное сопротивление которой R_yr близко к расчетному сопротивлению стали усиливаемого элемента R_yo (1£a£1,15) значение R*_y допускается принимать равным R_yo.

При a > 1,15 усредненное расчетное сопротивление бистального элемента определяется по формуле

,

где , , I₀, I - моменты инерции для той оси, относительно которой выполняется проверка устойчивости.

Проверка устойчивости сжатых элементов сплошного сечения из плоскости действия моментов выполняется в соответствии с п. 5.30 СНиП II-23-81*, При подсчете е_f прогибы f_* и f_w, учитываются только в том случае, если они увеличивают расчетное значение эквивалентного эксцентриситета.

Проверка устойчивости сплошностенчатых стержней, сжатых с двухосным эксцентриситетом, осуществляется по п. 5.34 СНиП II-23-81*, а прогибы f_* и f_w учитываются только в том случае, если они увеличивают расчетные значения относительных эксцентриситетов.

Расчет на устойчивость усиленных внецентренно сжатых и сжато-изогнутых стержней с решетками, расположенными в плоскостях, параллельных плоскости изгиба, совпадающей с плоскостью симметрии, следует выполнять по формуле

,

где j_c, j_вет - коэффициенты снижения несущей способности всего сечения и отдельной ветви; А - площадь поперечного учения усиленных ветвей.

Коэффициент j_e следует принимать по табл. 75 СНиП II-23-81* в зависимости от условной приведенной гибкости и относительного эксцентриситета m, определяемых по формулам:

;

,

где l_y - гибкость усиленного стержня относительно оси, перпендикулярной плоскости изгиба; a₁ - коэффициент, определяемый по табл. 7 СНиП II-23-81*; А_d - площадь усиленного сечения раскосов (при крестовой схеме решетки - двух раскосов), лежащих в плоскости изгиба; a_c - расстояние от оси усиленного сечения, перпендикулярной плоскости изгиба, до оси наиболее сжатой ветви; е_f - расчетный эксцентриситет продольной силы е_f = M/N + k_wf_w; f_w - остаточный сварочный прогиб сквозного стержня; k_w М - изгибающий момент с учетом смещения центра тяжести усиленного сечения.

Коэффициент j_вет следует определять по табл. 74 СНиП II-23-81* в зависимости от условной гибкости усиленного сечения ветви и приведенного относительного эксцентриситета , вычисляемых по формулам:

;

,

где l_вет - расстояние между узлами решетки; i_вет - радиус инерции сечения усиленной ветви относительно оси, перпендикулярной плоскости изгиба.

Ветви сквозных стержней следует дополнительно проверить на устойчивость как внецентренно сжатые стержни сплошного сечения с учетом начальных и сварочных деформаций. Продольные силы в ветвях внецентренно сжатого стержня определяются по указаниям п. 5.33 СНиП II-23-81*.

5. Оценка деформативности усиленных элементов.

Перемещения (прогибы, отклонения от вертикали) усиленных элементов конструкций следует определять в общем случае по формуле

,

где f₀ - начальное перемещение, определяемое по данным обследования либо расчетом для нагрузок, действовавших в момент усиления, по характеристикам брутто усиливаемого элемента; f_w - дополнительное перемещение (прогиб) при усилении элемента с использованием сварки; Df - приращение перемещения от нормативных нагрузок, приложенных после усиления, определяемое расчетом по характеристикам брутто усиленного элемента.

Дополнительные перемещения от сварки допускается не учитывать:

при уровне начального нагружения b₀ £ 0,3;

при несимметричном одностороннем усилении элементов со стороны растянутых волокон;

при усилении неразрезных многопролетных элементов (например, неразрезных балок) либо элементов рамных конструкций, имеющих жесткие узлы сопряжения с примыкающими элементами.

В случае усиления изгибаемых элементов (балок) на части их длины значения f_w могут быть уточнены по формуле

,

где l - пролет балки; l_r - длина элемента усиления;

Перемещения f усиленных конструкций не должны препятствовать нормальной эксплуатации, а приращения перемещений Df - превышать значений, рекомендуемых пп. 13.1-13.4 СНиП II-23-81*

Лекция 11

Основные положения расчета элементов металлических конструкций, усиливаемых под нагрузкой (продолжение)

6. Усиление сварных швов

Долгое время существовало мнение, что усиление сварных швов под нагрузкой опасно из-за сильного перегрева и частичного расплавления металла в зоне сварки.
Исследованиями было установлено, каким путем можно компенсировать кратковременное нерабочее состояние ответственных швов, временно вышедших из строя при разогреве, какой длины и на какой период выключается расплавленный шов из работы.
При усилении угловых швов из работы соединения выключается движущийся при сварке участок шва, разогретый до температуры более 550°С и находящийся в пластическом состоянии, а менее нагретые участки—до температуры 550°С или уже остывшие соседние участки шва сохраняют полную несущую способность.
Результаты многочисленных исследований подтвердили возможность производить усиление угловых швов, находящихся под нагрузкой, которая создает напряжение в основном металле до 0,7 – 0,8 R_y
Расчет удлиненного углового шва:

где h_c, l_c, — соответственно высота b длина старых швов, cм; h_д, l_д — соответственно высота и длина дополнительных (усиливающих) швов, см; 1 см — длина непровара в начале и длина кратера в конце сварки; R_wf — расчетное сопротивление угловых швов срезу по металлу шва; g_wf — коэффициент условий работы.
При наплавке дополнительного слоя по высоте углового шва, находящегося под нагрузкой , проверка прочности производится по формуле

где — сумма площадок среза угловых швов до усиления; А_ш.пл. – подвижный участок усиливаемого шва, перешедший в пластическое состояние при разогреве более чем на 550 °С и определяемый по формуле, выведенной на основании теории тепловых процессов Н. Н.Рыкалина.

где m — коэффициент, определяемый по графику, s — толщина наплавляемого слоя; d_f -толщина узловой фасонки; I_св— сила сварочного тока, А, принимаемая по данным разработанной технологии сварки при усилении.
Необходимую высоту катета углового шва после усиления можно определить по формуле

предполагается, что шов после усиления равномерно воспринимает суммарное усилие.
При усилении сварных швов путем дополнительной наплавки следует строго придерживаться определенных технологических условий выполнения работ.
При ремонте и усилении стальных конструкций можно допускать, как исключение, совместное крепление элемента в узле высокопрочными болтами и сварными швами, выполняемым после установки и затяжки высокопрочных болтов, натяжение которых контролируется дважды—до и после сварки. При расчете предполагают, что деформативность болтов и сварных швов одинакова.

7. Усиление стержней ферм с местными дефектами.

В стержнях стропильных ферм, имеющих традиционное сечение стержней, состоящее из двух уголков, расположенных тавром, в эксплуатируемых конструкциях достаточно распространено наличие местных дефектов в виде погибов полок уголков и вырезов в полках (см. рис.)

Стержень фермы с местным дефектом. а) - параметры стержня местного погиба и выреза; б) – погибы полок

Местные дефекты, несмотря на то, что они расположены на сравнительно небольшой части длины элемента (1/7—1 / 15)1, оказывают существенное влияние на несущую способность сжатых стержней. Критические силы снижаются до 50 % по сравнению с силами бездефектных стержней.
Параметрами местных дефектов являются: f₀— максималь