Усиление железобетонных колонн.

Одним из наиболее эффективных способов усиления железобетонных колонн является устройство железобетонных или металлических обойм. Усиление обоймами особенно рационально для колонн с небольшой гибкостью (λ<14).

Наиболее простым типом железобетонных обойм являются обоймы с обычной продольной и поперечной арматурой без связи арматуры обоймы с арматурой усиливаемой колонны. При таком способе усиления важно обеспечить совместную работу «старого» и «нового» бетона, что достигается тщательной очисткой поверхности бетона усиливаемой конструкции пескоструйным аппаратом, насечкой или обработкой металлическими щетками, а также промывкой под давлением непосредственно перед бетонированием. Для улучшения адгезии и защиты бетона и арматуры в агрессивных условиях эксплуатации рекомендуется применение полимербетонов.

Толщина обоймы колонн определяется расчетом и конструктивными требованиями (диаметром продольной и поперечной арматуры, величиной защитного слоя и т. д.). Как правило, она не превышает 300 мм. Площадь рабочей продольной арматуры также определяют расчетом, ее диаметр принимают не менее 16 мм. Для стержней, работающих на сжатие, и 12 мм для стержней, работающих на растяжение. Поперечную арматуру диаметром не менее 6 мм для вязанных каркасов и 8 мм для сварных устанавливают с шагом 15 диаметров продольной арматуры и не более трехкратной толщины обоймы, но не более 200 мм. В местах концентрации напряжений шаг хомутов уменьшается.

При местном усилении обойму продлевают за пределы поврежденного участка на длину не менее пяти ее толщин и не менее анкеровки арматуры, а также не менее двух ширин большей грани колонны, но не менее 400 мм. При местном усилении для улучшения сцепления «нового» и «старого» бетона рекомендуется выполнять адгезионную обмазку из полимерных материалов. Поперечная арматура железобетонной обоймы может быть выполнена в виде спиральной обмотки из проволоки диаметром не менее 6 мм. При этом спирали в плане должны быть круглыми и обхватывать всю рабочую продольную арматуру. Расстояние между ветвями спирали должно быть не менее 40 мм и не более 100 мм, оно недолжно также превышать 0,2 диаметра сечения ядра обоймы, охваченного спиралью. Более эффективны (но и более трудоемки) железобетонные обоймы, в которых обеспечивается связь существующей и дополнительной арматуры. Такие обоймы рекомендуются при сильном повреждении существующей арматуры или защитного слоя бетона. В этом случае арматуру усиливаемой конструкции тщательно очищают до чистого металла, разрушенные хомуты восстанавливают путем пробивки в бетоне поперечных борозд, установки в них новых хомутов и соединение их с продольной арматурой.

 

Усиление колонны железобетонной обоймой:1- усиливаемая колонна; 2 – обойма;3 – продольная арматура; 4 – поперечная арматура обоймы; 5 – жесткая продольная обойма; 6 – опорные уголки. Усиление колонны обоймой со спиральной арматурой:

1- усиливаемая колонна; 2 – обойма;

3 – спиральная арматура.

Расчет прочности центрально сжатых железобетонных элементов, усиленных железобетонными обоймами.

Расчет прочности центрально сжатых железобетонных элементов, усиленных железобетонными обоймами, производиться из условия:

Где: N – продольная сжимающая сила, вычисленная при расчетных нагрузках.

γ – коэффициент условий работы, принимаемый равным: γ = 0,9 при h < 200 мм, γ = 1,0 при h > 200 мм;

Y – коэффициент, учитывающий длительность загружения, гибкость и характер армирования элемента, вычисляемый по зависимости:

но не более Y_r

Где Y_B и Y_r определяются по таблице. Значение Y определяют предварительно задавшись минимальной толщиной обоймы d = 50 мм;

Y_ОБ - коэффициент условий работы обоймы, принимаемый равный: Y_ОБ = 0,9 при поперечной арматуре с предварительным напряжением, Y_ОБ = 0,8 при поперечной арматуре в виде замкнутых хомутов;

R_B – призменная (фактическая) прочность бетона усиливаемого элемента;

R_BS - расчетная призменная прочность бетона обойм (принимается не более чем на одну ступень выше R_B);

R_SC, R_SCS – расчетное сопротивление арматуры соответственно усиливаемого элемента и обоймы;

A_B, A_BS – площадь поперечного сечения бетона соответственно усиливаемого элемента и обоймы;

A_S^/ A_SS^/ - площадь сечения арматуры соответственно усиливаемого элемента и обоймы.

Обычно площадь сечения арматуры назначают в пределах 1 % площади сечения бетона обоймы. Тогда расчетная формула имеет вид:

Площадь сечения бетона обоймы можно определить по формуле:

Расчетная толщина монолитной железобетонной обоймы определяется по формуле:

Таблица значений коэффициентов Y_B и Y_r для элементов из тяжелого бетона.

Отношение Ne/N	Отношение lo/h1
	Коэффициент YB
	0,93	0,92	0,91	0,90	0,89	0,86	0,83	0,80
0,5	0,92	0,91	0,90	0,88	0,85	0,81	0,78	0,65
	0,92	0,91	0,89	0,86	0,81	0,74	0,63	0,55
Коэффициент Yr А. при площади сечения промежуточных стержней АS1, расположенных у граней параллельных рассматриваемой плоскости, менее 1/3 АS1
	0,93	0,92	0,1	0,90	0,89	0,87	0,84	0,81
0,5	0,92	0,92	0,91	0,90	0,87	0,84	0,80	0,75
	0,92	0,91	0,90	0,88	0,86	0,82	0,77	0,70
Б. при площади сечения промежуточных стержней АS1, расположенных у граней параллельных рассматриваемой плоскости, не менее 1/3 АS1
	0,92	0,92	0,91	0,89	0,87	0,84	0,80	0,75
0,5	0,92	0,91	0,90	0,87	0,88	0,79	0,72	0,65
	0,92	0,91	0,89	0,86	0,80	0,74	0,66	0,58

 

1 – 1 - рассматриваемая плоскость;

А_S1 - площадь сечения промежуточных стержней;

А_S - площадь сечения всех продольных стержней;

N_e - продольная сила от постоянных и длительных временных нагрузок, действующих на усиливаемый элемент;

L_o - расчетная длина элемента.

При невозможности увеличения сечения колонн и сжатых сроках производства работ по усилению рекомендуются металлические обоймы из уголков, устанавливаемых по граням колонн, и соединительных планок между ними. Эффективность включения металлической обоймы в работу колонны зависит от плотности прилегания уголков к телу колонны и от предварительного напряжения поперечных планок.

Для плотного прилегания уголков поверхность бетона по граням колонн тщательно выравнивается скалыванием неровностей и зачеканкой цементным раствором. Предварительное напряжение соединительных планок осуществляется термическим способом. Для этого планки приваривают одной стороной к уголкам обоймы, затем разогревают газовой горелкой до 100…120.°С и в разогретом состоянии приваривают второй конец планок.

Усиление колонны металлическими обоймами

1 – усиливаемая колонна; 2 – ветви обоймы;

3 – планки обоймы; 4 – опорный уголок.

Усиление колонны предварительно напряженными двусторонними металлическими распорками:

а) в период монтажа; б) в напряженном состоянии; 1 – крепежный монтажный болт; 2 – натяжной монтажный болт; 3 – усиливаемая колонна; 4 – уголки распорок; 5 – упорные уголки; 6 – планка для натяжения болтов в месте перегиба; 7 – планки – упоры; 8 – соединительные планки.

Эффективным средством усиления нагруженных колонн является устройство предварительно напряженных металлических распорок. Одно- или двусторонние распорки представляют собой металлические обоймы с предварительно напряженными стойками, расположенными с одной или двух сторон колонн. Первые применяют для увеличения несущей способности внецентренно сжатых колонн с большими и малыми эксцентриситетами, вторые – для центрально и внецентренно сжатых колонн с двузначной эпюрой моментов.

Предварительно напряженные односторонние распорки состоят из двух уголков, соединенных между собой металлическими планками. В верхней и нижней зонах распорок приваривают специальные планки толщиной не мене 15 мм, которые передают нагрузку на упорные уголки и имеют площадь поперечного сечения, равную сечению распорок. Для эффективного включения распорок в работу достаточно создать их предварительное напряжение порядка 40…70 МПа, что обеспечивается за счет расчетного удлинения при выпрямлении уголков. Предварительное напряжение распорок создается путем придания им вертикального положения за счет закручивания гаек натяжных болтов. При этом необходимо обеспечить плотное прилегание уголков к телу колонны, а также их совместную работу, объединив распорки с помощью приварки к ним металлических планок. Шаг планок принимают равным минимальному размеру сечения колонны. После приварки планок стяжные монтажные болты снимают, а ослабленные сечения распорок усиливают дополнительными металлическими накладками

Расчет железобетонных сжатых элементов усиленных предварительно напряженными распорками

Расчетная схеме железобетонного сжатого элемента, усиленного предварительно напряженными распорками:

а – распорки с изломом ветвей перед включением в работу; б – распорки без излома ветвей; в – расчетная схема усилений в сечении элемента.

1 – усиливаемый элемент; 2 – предварительно напряженные распорки; 3 – поперечные планки; 4 – база распорок; 5 – приспособления для включения распорок в работу.

Необходимая площадь поперечного сечения предварительно нап­ряженной распорки усиления определяют из рассмотрения условия равновесия усиленного железобетонного элемента. При этом распор­ки могут быть односторонними (при внецентренном сжатии в слу­чае больших и малых, эксцентриситетов, при однозначном действии изгибающего момента), устанавливаемыми в сжатой зоне, и двусто­ронними (при центральном сжатии и внецентренном сжатии в случае больших и малых эксцентриситетов, при одно- и двузначном дейст­вии изгибающих моментов). Надо иметь в виду, что распорки, рас­положенные в растянутой зоне усиливаемого элемента, в работе усиленной конструкции не участвуют.

Для внецентренно сжатых элементов прямоугольного сечения, усиленных предварительно напряженными распорками в сжатой зоне, условие прочности имеет вид:

При этом высоту сжатой зоны определяют из суммы проекций всех внешних сил и внутренних усилий на ось элемента:

а) при больших эксцентриситетах (ξ < ξ_R)

б) при малых эксцентриситетах (ξ > ξ_R)

где для бетонов класса В30 и ниже и ненапрягаемой арматуре классов А – I, А – II, и А – III

γ_ss = 0.9 – коэффициент условий работы распорок, установленный Н. М. Онуфриевым, , принимают согласно СНиП.

Площадь поперечного сечения предварительно напряженной распорки, устанавливаемой в сжатой зоне, можно определить:

при ξ < ξ_R

при ξ > ξ_R прямое определение площади затруднительно, удобнее в этом случае задаваться их сечением и проверять несущую способность.

При центральном сжатии двусторонних предварительно напряженных распорках несущая способность усиленного элемента определяется:

, откуда площадь поперечного сечения распорки с одной стороны определится:

где φ – коэффициент, принимаемый как при расчете железобетонных элементов со случайным эксцентриситетом.

Далее устанавливают величину предварительного напряжения распорок. Величину предварительного напряжения распорок можно определить по формуле Н. М. Онуфриева:

где i – угол наклона распорок.

Отсюда можно определить предельный угол наклона распорок и вычислить величину С (расстояние от усиливаемого элемента до распорки в месте перегиба),