Расчет элементов, усиленных обоймой.

Несущая способность существующих каменных конструкций (столбов, простенков, стен и др.) может оказаться недостаточной при реконструкции зданий, надстройках, а также при наличии дефектов в кладке. Одним из наиболее эффективных методов повышения несущей способности существующей каменной кладки является включение ее в обойму. В этом случае кладка работает в условиях всестороннего сжатия, что значительно увеличивает ее сопротивляемость воздействию продольной силы.

Применяются три основных вида обойм: стальные, железобетонные и армированные растворные.

Основными факторами, влияющими на эффективность обойм, являются: процент поперечного армирования обоймы (хомутами), марка бетона или штукатурного раствора и состояние кладки, а также схема передачи усилия на конструкцию.

С увеличением процента армирования хомутами прирост прочности кладки растет непропорционально, а по затухающей кривой.

Опытами установлено, что кирпичные столбы и простенки, имеющие трещины, а затем усиленные обоймами, полностью восстанавливают свою несущую способность.

Стальная обойма состоит из вертикальных уголков, устанавливаемых на растворе по углам усиливаемого элемента, и хомутов из полосовой стали или круглых стержней, приваренных к уголкам. Расстояние между хомутами должно быть не более меньшего размера сечения и не свыше 50 см (черт. 1, а). Стальная обойма должна быть защищена от коррозии слоем цементного раствора толщиной 25-30 мм. Для надежного сцепления раствора стальные уголки закрываются металлической сеткой.

Железобетонная обойма выполняется из бетона марок 150-200 с армированием вертикальными стержнями и сварными хомутами. Расстояние между хомутами должно быть не свыше 15 см. Толщина обоймы назначается по расчету и принимается от 6 до 10 см (черт. 1,б).

Обойма из раствора армируется аналогично железобетонной, но вместо бетона арматура покрывается слоем цементного раствора марки 50-100 (черт. 1, в).

Черт. 1. Схема усиления кирпичных столбов обоймами.

а - металлической; б - железобетонной; в - армированной штукатуркой; 1 – планка f₁ сечением 35´5 - 60´12 мм; 2 - сварка; 3 - стержни диаметром 5-12 мм; 4 - хомуты диаметром 4-10мм; 5 - бетон класса В7,5 -В15; 6 - штукатурка (раствор марки 50-100)

Расчет конструкций из кирпичной кладки, усиленной обоймами, при центральном и внецентренном сжатии при эксцентриситетах, не выходящих за пределы ядра сечения, производится по формулам:

при стальной обойме

; (1)

при железобетонной обойме

; (2)

при армированной растворной обойме

. (3)

Коэффициенты y и h принимаются при центральном сжатии y = 1 и h = 1; при внецентренном сжатии (по аналогии с внецентренно сжатыми элементами с сетчатым армированием):

; (4)

; (5)

В формулах (1) – (5)

N - продольная сила;

А - площадь сечения усиливаемой кладки;

A¢_s - площадь сечения продольных уголков стальной обоймы или продольной арматуры железобетонной обоймы;

А_b - площадь сечения бетона обоймы, заключенная между хомутами и кладкой (без учета защитного слоя);

R_sw - расчетное сопротивление поперечной арматуры обоймы;

R_sc - расчетное сопротивление уголков или продольной сжатой арматуры;

j - коэффициент продольного изгиба (при определении j значение a принимается как для не усиленной кладки);

m_g - коэффициент, учитывающий влияние длительного воздействия нагрузки, пп.[4.1, 4.7];

m_k - коэффициент условий работы кладки, принимаемый равным 1 для кладки без повреждений и 0,7 - для кладки с трещинами;

m_b - коэффициент условий работы бетона, принимаемый равным 1 - при передаче нагрузки на обойму и наличии опоры снизу обоймы, 0,7 - при передаче нагрузки на обойму и отсутствии опоры снизу обоймы и 0,35 - без непосредственной передачи нагрузки на обойму;

m - процент армирования хомутами и поперечными планками, определяемый по формуле

, (6)

где h и b - размеры сторон усиливаемого элемента;

s - расстояние между осями поперечных связей при стальных обоймах (h ³ s £ b, но не более 50 см) или между хомутами при железобетонных и штукатурных обоймах (s£15 см).

Расчетные сопротивления арматуры, применяемой при устройстве обойм, принимаются по табл.1.

Таблица 1

С увеличением размеров сечения (ширины) элементов при соотношении их сторон от 1:1 до 1:2,5 эффективность обойм несколько уменьшается, однако это уменьшение незначительно и практически его можно не учитывать.

Когда одна из сторон элемента, например, стена (черт. 2), имеет значительную протяженность, то необходима установка дополнительных поперечных связей, пропускаемых через кладку и располагаемых по длине стены на расстояниях не более 2d и не более 100 см, где d - толщина стены. По высоте стены расстояние между связями должно быть не более 75 см. Связи должны быть надежно закреплены. Расчет дополнительных поперечных связей производится по формуле 2 , при этом коэффициент условий работы связей принимается равным 0,5.

Черт. 2. Схема усиления стены железобетонной обоймой

1 - металлическая сетка; 2 - дополнительные стержни, расположенные сверх сетки; 3 - хомуты (связи); 4 - бетон обоймы; 5 - кладка стены

2. Расчет усиления кирпичных стен стальными поясами.

Усиление стен стальными поясами (тяжами) во многих случаях представляется наиболее эффективным решением, однако расчет поясов является сложной инженерной задачей и её решение зависит от многих параметров, в числе которых геологическое строение основания, виды трещин и причины, вызывающие их образование и раскрытие, характеристики кладки, конструктивное решение здания и др.

В практических расчетах усилие в тяжах обычно определяется по эмпирической формуле:

,

где R_sq – расчетное сопротивление кладки на срез по неперевязанному шву;

l, d - соответственно длина и толщина стены;

0,2 – эмпирический коэффициент.

Шаг тяжей рассчитывается по формуле:

,

где R_sq – расчетное сопротивление кладки на срез;

t - толщина кладки;

A_s – площадь сечения тяжа;

R_s - расчетное сопротивление стали тяжа.

Натяжение тяжей осуществляется до усилия 50 кН после предварительного разогрева автогеном или электроразогревом. Натяжение контролируется с помощью динамометрических ключей, прибором ПРД или визуально. Натяжение считается достаточным, если тяж не имеет провесов, а при простукивании издает чистый звук высокого тона.