Расчет прочности контактного шва в растянутой зоне

Расчет прочности контактного шва между элементами усиления и усиливаемой конструкцией производится по нормальному сечению в месте наибольшего изгибающего момента из условия

. (8.10)

Сдвигающее усилие в контактном шве от внешней нагрузки в месте наибольшего изгибающего момента определяется из условия равновесия сил в нормальном сечении (рис. 8.8)

. (8.11)

Предельное сдвигающее усилие, воспринимаемое контактным швом, определяется по формуле

, (8.12)

где – расчетное сопротивление бетона срезу; – площадь контактного шва: – для листовой арматуры сборных железобетонных элементов; – для стержневой арматуры, вклеиваемой в пазах; , – ширина и глубина паза; – расчетная длина контактного шва, принимается равной расстоянию от рассматриваемого нормального сечения до торца, уменьшенному с учетом возможного отклонения направления развития трещины на величину (высота поперечного сечения элемента); – коэффициент условий работы анкера при сдвиге; – расчетное сопротивление растяжению и суммарная площадь поперечного сечения анкерных стержней на расчетной длине контактного шва ; – коэффициент, определяемый по формуле

. (8.13)

Рис. 8.8. Расчетная схема контактного шва

При комбинированной анкеровке дополнительной арматуры (приклеивание по контакту плюс анкеры) . При обеспечении анкеровки дополнительной арматуры только за счет анкеров .

Глубина и диаметр шурфа под анкер в усиливаемой конструкции подбирается в зависимости

, (8.14)

где и – диаметр и глубина шурфа под анкер.

Вопросы для самоконтроля

1. Приведите примеры обеспечения дальнейшей надежной эксплуатации конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений путем изменения условий их работы.

2. Каким требованиям должны удовлетворять железобетонные конструкции после усиления?

3. Каким образом устанавливается вероятная схема разрушения железобетонных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений?

4. Изложите условную классификацию методов усиления железобетонных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений.

5. В каких случаях применяется комбинированное (две и более зоны) усиление эксплуатируемых железобетонных конструкций?

6. Какими методами производится замена конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений?

7. Какие факторы следует учитывать при выборе метода усиления конструкции в конкретных условиях?

8. Каким образом, в общем случае, производится усиление растянутой зоны эксплуатируемых железобетонных конструкций?

9. Как обеспечивается совместная работа дополнительной арматуры с усиливаемой конструкцией?

10. Какими факторами определяется способ и как осуществляется приварка дополнительной арматуры к существующей при усилении растянутой зоны эксплуатируемых железобетонных конструкций?

11. Какая арматура используется в качестве дополнительной рабочей арматуры с приваркой ее к существующей при усилении растянутой зоны эксплуатируемых железобетонных конструкций?

12. В каких случаях приварка дополнительной арматуры к существующей арматуре усиливаемой конструкции без предварительного разгружения не допускается?

13. Какими методами осуществляется и как контролируется предварительное напряжение дополнительной арматуры при усилении железобетонных конструкций?

14. В каких пределах устанавливается величина предварительного напряжения дополнительной арматуры?

15. Приведите примеры усиления растянутой зоны железобетонных конструкций приклеиванием дополнительной арматуры.

16. Приведите примеры усиления растянутой зоны железобетонных многопустотных панелей перекрытия установкой дополнительной арматуры.

17. Каким образом в расчете прочности по нормальному сечению усиленных железобетонных элементов учитываются неисправляемые дефекты и повреждения, а также возможные ослабления арматуры при сварке?

18. Изложите алгоритм расчета прочности по нормальному сечению усиленных в растянутой зоне железобетонных элементов.

19. Как производится проверка прочности контактного шва при усилении растянутой зоны эксплуатируемых железобетонных конструкций?

Тема 9. УСИЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ УВЕЛИЧЕНИЕМ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ В СЖАТОЙ ЗОНЕ

Общие положения

Усиление сжатой зоны железобетонных конструкций производится увеличением ее поперечного сечения, установкой дополнительной сжатой арматуры, ограничением поперечных деформаций, а также комбинированием названных методов.

При увеличении поперечного сечения усиливаемой конструкции совместная работа старого и нового бетона достигается устройством в старом бетоне поперечных шпонок, насечки или дополнительными поперечными арматурными стержнями, соединенными с арматурой усиливаемой конструкции.

Совместная работа дополнительной сжатой арматуры с усиливаемой конструкцией обеспечивается приваркой к существующей арматуре или приклеиванием к бетону сжатой зоны. После установки в проектное положение дополнительная арматура обетонируется или покрывается антикоррозионными и огнезащитными составами.

Увеличение поперечного сечения сжатой зоны усиливаемой конструкции производится устройством из бетона: наращивания (рис. 9.1), рубашек (рис. 9.2) или обойм (рис. 9.3).

Рис. 9.1. Усиление сжатой зоны сборных плит наращиванием: 1 – усиливаемая
плита, 2 – шпонки, 3 – бетон наращивания, 4 – арматура наращивания

Наращивание выполняется со стороны одной или двух граней усиливаемой конструкции. Применяется для усиления сжатой зоны плитных и балочных конструкций, крайних и угловых колонн зданий.

Железобетонная рубашка устраивается с трех сторон усиливаемой конструкции, когда отсутствует возможность охватить поперечное сечение со всех четырех сторон (крайние колонны, балки монолитного перекрытия, продольные ребра ребристых плит и т.п.). При устройстве рубашек следует обеспечивать анкеровку дополнительной поперечной арматуры со свободным концом путем ее приварки к арматуре усиливаемой конструкции или заанкериванием с помощью продольных стержней.

Рис. 9.2. Усиление монолитной балки и колонны железобетонной рубашкой:
1 – усиливаемая балка, 2 – усиливаемая колона, 3 – отверстия в плите,
4 – поперечная арматура обоймы, 5 – насечка поверхности, 6 – оголенная
арматура колонны, 7 – наружная стена, 8 – анкерные стержни

Железобетонные обоймы охватывают поперечное сечение усиливаемой конструкции со всех четырех сторон и рекомендуются для конструкций с малыми эксцентриситетами приложения сжимающих сил.

При увеличении поперечного сечения сжатой зоны минимальный процент продольного армирования рубашек или обойм составляет . Поперечная арматура принимается диаметром не менее
6 мм и устанавливается с шагом

где Æ и – соответственно диаметр продольной арматуры и толщина обоймы (рубашки).

В местах возможной концентрации напряжений, а также по концам усиливаемой конструкции на длине (см. далее формулу (9.1)) шаг хомутов уменьшается вдвое.

Толщина наращивания, рубашек и обойм определяется расчетом и принимается с учетом условий укладки и уплотнения бетонной смеси. Минимальная толщина составляет:

§ при укладке бетона вибрированием (крупность заполнителей не более 20 мм):

- для колонн – 80 мм,

- для боковых стенок балок – 60 мм,

- для плит перекрытий: сверху – 35 мм, снизу – 60 мм;

§ при укладке бетона торкретированием:

- для колонн – 50 мм,

- для боковых стенок балок – 30 мм,

- для плит перекрытий снизу – 35 мм при крупности заполнителя не более 10 мм.

Класс бетона обойм, рубашек и наращивания рекомендуется принимать не ниже класса бетона усиливаемой конструкции и не ниже класса бетона в соответствии с [8] в зависимости от условий эксплуатации и характеристики окружающей среды.

Для усиления поврежденного участка устраивается местная железобетонная обойма или рубашка (рис. 9.4), которая должна выходить за пределы поврежденного участка на длину

(9.1)

где t – толщина обоймы рубашки; l_bd – расчетная длина анкеровки арматуры обоймы или рубашки; h – больший размер поперечного сечения усиливаемой конструкции.

Рис. 9.4. Усиление поврежденного участка колонны
местной железобетонной обоймой: 1 – поврежденный участок,
2 – бетон обоймы, 3 – уголок, 4 – соединительные стержни,
5 – насечка поверхности, 6 – оголенная арматура

Перед устройством наращивания, обойм, рубашек осуществляют подготовку поверхности усиливаемой конструкции: очищают от загрязнений и пыли, жировых пятен; выполняют насечку или поперечные шпонки с шагом не более 500 мм; промывают водой, сушат, смачивают перед бетонированием. При этом должно учитываться временное ослабление сечения сжатой зоны конструкции при насечке или устройстве шпонок.

Для улучшения сцепления нового бетона со старым, кроме насечки, для местной обоймы рекомендуется выполнять адгезионную грунтовку полимерраствором.

Приварка дополнительной сжатой арматуры к существующей арматуре усиливаемой конструкции (рис. 9.5) осуществляется аналогично растянутой арматуре (см. тему 8). Коротыши и участки соединения скоб в сжатой зоне располагаются по длине конструкции с шагом не более 20Æ (Æ – диаметр дополнительной продольной арматуры) и не более 500 мм.

При этом в расчете учитываются возможные ослабления арматуры при сварке уменьшением на 15 % площади поперечного сечения существующей и дополнительной арматуры усиливаемой конструкции.

Рис. 9.5. Усиление сжатой зоны конструкций наращиванием с установкой
дополнительной арматуры: а – крайней колонны; б – сборного ригеля;
1 – усиливаемая конструкция, 2 – бетон наращивания, 3 – дополнительная арматура,
4 – скобы, 5 – оголенная арматура, 6 – легкий бетон, 7 – наружная стена

При обеспечении совместной работы дополнительной сжатой арматуры с усиливаемой конструкцией приклеиванием с помощью полимеррастворов (рис. 9.6) работы производятся аналогично приклеиванию дополнительной арматуры в растянутой зоне с установкой по концам анкеров.

Усиление сжатых конструкций путем ограничения поперечных деформаций при производят установкой дополнительной косвенной спиральной или кольцевой арматуры, которую эффективно предварительно напрягать. Усиление косвенной арматурой при малоэффективно.

Шаг навивки спиралей или шаг колец – не более 1/5 диаметра сечения элемента и не более 100 мм. Спирали и кольца должны охватывать всю рабочую продольную арматуру.

С целью повышения эффективности работы и уменьшения потерь предварительного напряжения при натяжении перед выполнением спиральной обмотки или монтажом кольцевой арматуры сжатых конструкций по граням или углам устанавливают дополнительные бетонные (рис. 9.7, а) или стальные (рис. 9.7, б) элементы с криволинейной поверхностью. После монтажа арматуры производят натяжение спиральной арматуры с помощью домкрата, а кольцевой – с помощью натяжных болтов. Для уменьшения силы трения при натяжении поверхность покрывают смазкой.

			б
	а

Рис. 9.6. Усиление сжатой зоны конструкции приклеиванием: а – сборных
железобетонных элементов; б – дополнительной листовой арматуры; 1 – усиливаемая конструкция, 2 – сборный железобетонный элемент с продольной рабочей арматурой,
3 – листовая арматура, 4 – полимерраствор, 5 – монолитный бетон зачеканки

При заполнении дополнительных стальных элементов с криволинейной поверхностью бетоном на напрягающем цементе и его твердении создается плотный контакт с усиливаемой конструкцией.

В случае полной разгрузки усиливаемой конструкции на момент устройства усиления спирали (кольца) могут быть выполнены без предварительного напряжения. Для устройства спиральной обмотки оголяют продольную арматуру по углам усиливаемой конструкции, затем по окружности обмотки устанавливают дополнительную продольную арматуру. После навивки спиральной арматуры устанавливают опалубку и обетонируют усиливаемую конструкцию (рис. 9.7, в).

б

в

а

Рис. 9.7. Усиление сжатых элементов установкой косвенной арматуры:
а – кольцевой; б, в – спиральной; 1 – усиливаемая колонна,
2 – дополнительный бетонный элемент, 3 – кольцевая арматура,
4 – дополнительная сжатая арматура, 5 – спиральная арматура,
6 – пластина с выступами, 7 – дополнительный стальной элемент,
8 – бетон на напрягающем цементе, 9 – стальная стяжка

Расчет прочности

Расчет железобетонных конструкций, усиленных увеличением поперечного сечения сжатой зоны и установкой дополнительной сжатой арматуры производится в предположении совместной работы дополнительного бетона и арматуры с усиливаемой конструкцией и возможной схемой разрушения элемента после усиления по растянутой зоне.

В этом случае расчет прочности усиленных конструкций прямоугольного поперечного сечения производят по следующим формулам:

а) для наращивания, если соблюдается условие

для изгибаемых для внецентренно растянутых для внецентренно сжатых

(9.2)

то есть при расчет производится, как для элемента, выполненного из одного класса бетона (рис. 9.8, а);

для изгибаемых   для внецентренно растянутых и внецентренно сжатых

(9.3)

где – расстояние от продольной силы до центра тяжести растянутой арматуры.

При этом высота сжатой зоны определяется из условия

для изгибаемых для внецентренно растянутых для внецентренно сжатых

(9.4)

если условие (9.2) не соблюдается, расчет производится с учетом различных классов бетона в расчетном сечении (рис. 9.8, б)

для изгибаемых   для внецентренно растянутых и внецентренно сжатых

(9.5)

где определяется из условия

для изгибаемых для внецентренно растянутых для внецентренно сжатых

(9.6)

б) для обоймы, если соблюдается условие

для изгибаемых для внецентренно растянутых для внецентренно сжатых

(9.7)

то есть , расчет производится, как для элемента шириной , выполненного из одного класса бетона (рис. 9.9, а).

Рис. 9.8. Схемы усилий и эпюры напряжений в нормальном сечении усиленного
наращиванием элемента при условии : а – при ; б – при

Если условие (9.7) не соблюдается, расчет производится с учетом различных классов бетона (рис. 9.9, б)

для изгибаемых   для внецентренно растянутых и сжатых

(9.8)

где определяется из условия

для изгибаемых для внецентренно растянутых для внецентренно сжатых

(9.9)

В выражении (9.8): – расстояние от внешней продольной силы до центра тяжести существующей и дополнительной арматуры; – приведенная рабочая высота сечения.

Рис. 9.9. Схемы усилий и эпюры напряжений в нормальном сечении элемента,
усиленного обоймой (рубашкой), при условии :
а – при ; б – при

При в условиях прочности (9.3), (9.5), (9.8) принимается

При экономическом обосновании усиление железобетонных конструкций наращиванием, обоймами или рубашками может производиться при за счет увеличения рабочей высоты сечения. Усиление таким способом дает возможность разместить верхнюю надопорную арматуру неразрезных конструкций при усилении растянутой зоны опорного сечения.

Расчет прочности центрально сжатых элементов, усиленных железобетонной обоймой, производится из условия

, (9.10)

где j – коэффициент продольного изгиба; A_c,ad и A_s2,ad – соответственно площадь поперечного сечения бетона и арматуры обоймы.

При выполнении усиления сжатой зоны конструкции под нагрузкой, превышающей 65 % расчетной, расчет производится по деформационной модели или к расчетному сопротивлению дополнительной арматуры и бетона вводятся понижающие коэффициенты γ_s,ad = 0,9 и γ_c,ad = 0,9.

Расчет прочности сжатых элементов, усиленных спиральной или кольцевой поперечной арматурой в общем случае производится из условия (9.10), вводя в расчет лишь часть площади бетонного сечения A_eff, ограниченную осью спирали, подставляя в расчетные формулы вместо f_cd приведенную призменную прочность бетона f_cd,red.

Значение определяется по формуле

, (9.11)

где A_c и A_c,ad,eff – соответственно площадь поперечного сечения бетона усиливаемой конструкции и бетона усиления внутри площади, ограниченной осью спирали; m_cir – коэффициент косвенного армирования:

; (9.12)

– площадь поперечного сечения спиральной или кольцевой арматуры; – диаметр сечения внутри спирали; e₀ – эксцентриситет приложения продольной силы (без учета влияния прогиба).

Косвенное армирование учитывается в расчете при условии, что прочность усиленной конструкции, определенная с учетом и площади поперечного сечения , ограниченной осью спиральной или кольцевой арматуры, превышает его прочность, определенную по полному сечению и значению расчетного сопротивления бетона без учета косвенной арматуры.