Особенности расчета раскрытия трещин и деформаций

В действующих нормативных документах введены ограничения раскрытия трещин в железобетонных элементах и их прогибов, которые распространяются и на усиленные железобетонные элементы.

Расчет раскрытия трещин производится по зависимостям (4.21)…(4.25) при значениях относительных деформаций в арматуре усиленных элементов, вычисленным по нормативным диаграммам материалов.

Деформации железобетонных элементов после усиления могут быть вычислены по формулам строительной механики. Например, для изгибаемых элементов пролетом прогиб в сечении с координатой x, обусловленный деформацией изгиба, определяется по формуле

, (10.13)

где – изгибающий момент в сечении от действия единичной силы, приложенной по направлению искомого перемещения; – кривизна элемента в сечении от нагрузки, при которой определяется прогиб.

Величина деформаций усиленных железобетонных конструкций в зависимости от метода усиления и предъявляемых требований может отсчитываться от первоначального состояния усиливаемой конструкции или состояния конструкции после усиления. Например, если усиление элементов железобетонного перекрытия осуществляется увеличением поперечного сечения путем наращивания снизу и предельно допустимые прогибы установлены исходя из конструктивных и эстетических требований, отсчет назначается от состояния перекрытия после усиления. В этом случае в расчет вводится дополнительная кривизна сечения после усиления.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие особенности работы железобетонных элементов, усиленных увеличением поперечного сечения под нагрузкой, позволяет учитывать деформационная модель расчета?

2. Какие гипотезы принимаются при расчете усиленных железобетонных элементов на основе деформационной модели?

3. В чем заключается особенность применения гипотезы плоских сечений для железобетонных элементов, усиленных под нагрузкой?

4. Изложите алгоритм расчета прочности железобетонных элементов, усиленных увеличением поперечного сечения под нагрузкой.

5. Как на основе деформационной модели рассчитывается ширина раскрытия трещин и деформации железобетонных элементов, усиленных под нагрузкой?

Тема 11. УСИЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ УВЕЛИЧЕНИЕМ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ В ЗОНЕ ДЕЙСТВИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ СИЛ. УСИЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ КРУЧЕНИИ, МЕСТНОМ СЖАТИИ И ПРОДАВЛИВАНИИ

Общие положения

Усиление зоны среза конструкций производится увеличением их поперечного сечения путем устройства наращивания, железобетонных обойм, рубашек, а также увеличением поперечного армирования путем установки дополнительной поперечной арматуры в зоне среза собеспечением совместной работы с конструкцией.

Дополнительная поперечная арматура принимается в виде арматурных стержней или стальных полос, нормальных или наклонных к продольной оси конструкции.

Совместная работа наращиваний, обойм, рубашек с бетоном конструкции в зоне среза обеспечивается, кроме связей сдвига (как при усилении сжатой зоны), воспринимающих сдвигающее усилие вдоль оси конструкции, устройством поперечных связей, работающих на сдвиг поперек оси конструкции в наклонном сечении. Поперечные связи выполняются в виде поперечных арматурных стержней, а также насечки и шпонок на боковых гранях усиливаемой конструкции.

Совместная работа дополнительной поперечной арматуры с усиливаемой конструкцией обеспечивается: приваркой к существующей арматуре; приклеиванием к бетону в зоне среза; закреплением концов в верхней и нижней зонах с помощью анкерных устройств. После установки в проектное положение дополнительная поперечная арматура обетонируется или покрывается антикоррозионными и огнезащитными составами.

Восстановление прочности конструкций с наклонными трещинами выполняется путем инъецирования трещин полимерраствором, позволяющим получить равнопрочное соединение частей конструкции.

При устройстве наращивания со стороны верхней и нижней граней конструкции (рис. 11.1, а) поперечные связи выполняют в виде скоб, приваренных концами к оголенной продольной арматуре конструкции и дополнительной продольной арматуре, выполняющей для них функцию анкера. Интенсивность поперечных связей на единицу длины элемента в этом случае должна быть не менее интенсивности существующего поперечного армирования:

. (11.1)

При устройстве наращивания со стороны боковых граней конструкции (рис. 11.1, б) на них выполняют шпонки или насечку, а дополнительную поперечную арматуру соединяют сваркой с арматурой усиливаемой конструкции с помощью пластин. В случае отсутствия на боковых гранях шпонок или насечки в расчете бетон наращивания не учитывается.

а

б

Рис. 11.1. Усиление зоны среза конструкций увеличением поперечного сечения:

а – наращиванием со стороны верхней и нижней граней; б – наращиванием со стороны
боковых граней: 1 – усиливаемая конструкция, 2 – бетон наращивания, 3 – скоба,
4 – пластина, 5 – дополнительная поперечная арматура,
6 – оголенная арматура конструкции, 7 – насечка поверхности

Совместную работу железобетонных обойм и рубашек с усиливаемой конструкцией в зоне среза обеспечивают, кроме шпонок и насечки на контактной поверхности, установкой дополнительной поперечной арматуры (рис. 11.2). В случае устройства рубашки свободные концы поперечной арматуры приваривают к продольной арматуре конструкции или заанкеривают с помощью дополнительных анкеров (при тавровом сечении).

Дополнительная поперечная арматура может устанавливаться в подготовленных пазах с закреплением ее полимерраствором. Арматура устанавливается перпендикулярно направлению наклонных трещин (при их наличии) или под углом 45° (при отсутствии наклонных трещин) с необходимой длиной анкеровки в обе стороны от трещин, определяемой по формуле

, (11.2)

где и – расчетное сопротивление и площадь поперечного сечения вклеиваемой арматуры; – расчетное сопротивление срезу бетона усиливаемой конструкции; , – ширина и глубина паза.

	а		б		в

Рис. 11.2. Усиление зоны среза конструкций увеличением поперечного сечения:
а – рубашкой при прямоугольном сечении; б – рубашкой при тавровом сечении;
в – обоймой, 1 – усиливаемая конструкция, 2 – монолитный бетон, 3 – дополнительная поперечная арматура, 4 – насечка поверхности, 5 – анкерная пластина

Дополнительная поперечная стержневая арматура, закрепленная по концам приваркой к существующей арматуре или с помощью анкеров, при усилении может выполняться с предварительным напряжением. Предварительное напряжение создают приданием уклона поперечным стержням путем их стягивания попарно с помощью стяжных болтов или завинчиванием гаек на концах поперечных стержней при их нагревании. После выполнения предварительного напряжения гайки на болтах заваривают. Для исключения закручивания усиливаемой конструкции напряжение в поперечных стержнях должно создаваться одновременно с обеих сторон конструкции.

Для закрепления дополнительной поперечной арматуры на усиливаемых конструкциях в зоне среза со стороны верхней и нижней граней устанавливают анкерные устройства в виде уголков или швеллеров (рис. 11.3, а). При усилении конструкций таврового сечения крепежные уголки устанавливают под полкой и заанкеривают болтами, пропускаемыми через отверстия в полке (рис. 11.3, б).

Установка дополнительной поперечной арматуры, наклонной к продольной оси элемента и закрепленной по концам, выполняется в специально пробитые на боковых поверхностях борозды, которые затем заделывают полимерраствором (рис. 11.3, в).

а

в

б

Рис. 11.3. Усиление зоны среза конструкций установкой дополнительной поперечной арматуры: а – сборной балки; б – балки монолитного перекрытия; в – балки
с наклонными стержнями, 1 – усиливаемая конструкция, 2 – уголок, 3 – швеллер,
4 – стяжной болт, 5 – болт, 6 – дополнительная поперечная арматура, 7 – накладная
арматура, 8 – борозды на боковой поверхности, 9 – существующая арматура

Коэффициенты условий работы бетона наращивания и дополнительной поперечной арматуры в зоне среза принимаются равными:

- при отсутствии в момент усиления наклонных трещин в зоне среза

, ;

- при наличии в момент усиления наклонных трещин в зоне среза и усилении дополнительной поперечной арматуры с предварительным напряжением

, ;

- при наличии в момент усиления наклонных трещин в зоне среза и усилении дополнительной поперечной арматурой без предварительного напряжения

, .

Площадь поперечного сечения дополнительной поперечной арматуры и толщина наращивания определяется расчетом.

Величина предварительного напряжения дополнительной поперечной арматуры принимается равной 70...100 МПа.

Расчет прочности

Расчет прочности железобетонных конструкций с усиленной зоной среза на действие поперечных сил производится с учетом совместной работы элементов усиления с усиливаемой конструкцией и коэффициентов условий работы дополнительного бетона и поперечной арматуры .

Для обеспечения прочности по наклонной полосе между наклонными трещинами усиленной конструкции должно выполняться условие

, (11.3)

где – коэффициент, учитывающий влияние хомутов, нормальных к продольной оси конструкции

; (11. 4)

, ; (11.5)

; (11.6)

, – соответственно площадь поперечного сечения и шаг дополнительной поперечной арматуры;

; (11.7)

(здесь в МПа);

, (11.8)

, – соответственно расчетное сопротивление сжатию бетона конструкции и бетона наращивания.

Расчет усиленных железобетонных конструкций на действие поперечной силы для обеспечения прочности по наклонной трещине производится (рис. 11.4) из условия

, (11.9)

где – поперечное усилие, воспринимаемое бетоном усиленной конструкции

, (11.10)

; (11.11)

; (11.12)

, – расчетное сопротивление растяжению соответственно бетона конструкции и бетона наращивания; , , , – коэффициенты, принимаемые по [8];

– поперечное усилие, воспринимаемое поперечной арматурой, нормальной к продольной оси усиливаемой конструкции

, (11.13)

, , (11.14)

– шаг дополнительной поперечной арматуры, принимается: при высоте сечения конструкции с учетом наращивания, равной или менее 450 мм – не более и не более 150 мм; при высоте сечения конструкции с учетом наращивания более 450 мм - не более и не более 500 мм;

– поперечное усилие, воспринимаемое дополнительной наклонной поперечной арматурой, пересекающей опасную наклонную трещину

, (11.15)

– угол наклона дополнительной поперечной арматуры к продольной оси конструкции; – площадь сечения дополнительной наклонной поперечной арматуры, пересекающей опасную наклонную трещину.

Рис. 11.4. Схема усилий в наклонном сечении усиленной конструкции

Длина проекции опасной наклонной трещины на продольную ось конструкции принимается из минимума выражения , где в выражение для вместо подставляется , при этом значение принимается не более и не более значения , а также не менее , если .

При действии на усиливаемую конструкцию сосредоточенных сил значения принимаются равными расстояниям от опоры до точек приложения этих сил.

При действии на усиливаемую конструкцию равномерно распределенной нагрузки значение для расчета принимается равным наименьшей из трех величин:

.

Тогда значение для расчета вычисляется в случае:

- если – по формуле

, (11.16)

- если или , а также – по формуле

. (11.17)

Значение поперечной силы принимается равным

, (11.18)

где – поперечная сила в опорном сечении усиливаемой конструкции.

Если перед усилением конструкции выявлены наклонные трещины в зоне среза, то длина проекции опасной наклонной трещины на продольную ось принимается равной фактической длине проекции магистральной наклонной трещины, если она меньше ее расчетного значения.

Расстояние между поперечными стержнями усиливаемой конструкции и дополнительными поперечными стержнями, а также между концом предыдущего и началом последующего наклонного дополнительного стержня по длине зоны среза не должно превышать величины

(11.19)