Усиление железобетонных каркасных зданий и сооружений

9.3.1 При усилении железобетонных каркасных зданий и сооружений следует соблюдать следующие положения:

а) сущность всякой железобетонной конструкции заключается в передаче растягивающих усилий на металл - арматуру. Реализуется этот принцип выполнением ряда конструктивных мероприятий. Например, изменением схемы размещения арматуры и площади ее сечения достигается перераспределение напряжений в сечениях по длине элемента, в частности, изменение (уменьшение) напряжений в бетоне. Эту особенность необходимо иметь в виду при выборе способа восстановления и усиления элементов и узлов железобетонных конструкций;

б) перед восстановлением или усилением железобетонных конструкций необходимо ознакомиться с проектом здания (сооружения) и рабочими чертежами конструкции, выяснить типы использованных сборных железобетонных изделий в натуре, определить особенность их армирования, оценить фактическую прочность бетона. Принимая решение, в каждом конкретном случае необходимо определить расчетную модель работы усиливаемой конструкции и проверить эффективность предлагаемого мероприятия расчетами на прочность, устойчивость и долговечность;

в) восстановление и усиление железобетонных конструкций, как правило, оказывается работой трудоемкой, требующей большой тщательности в исполнении. Однако по сравнению с новым строительством, даже при сильных повреждениях, восстановление позволяет существенно сократить время для возобновления эксплуатации объекта и сэкономить материальные ресурсы;

г) в первую очередь должны восстанавливаться и усиливаться узлы и элементы, несущая способность которых существенно уменьшена и угрожает обрушением конструкции. Необходимо иметь в виду, что во избежание развития коррозии в железобетонном элементе даже незначительные его повреждения, в частности небольшие трещины, должны быть устранены путем их расчистки и затирки цементным раствором, а остающиеся на открытой поверхности металлические элементы стыков и усиления конструкций должны быть покрыты антикоррозионными составами;

д) к оценке состояния железобетонных конструкций следует относиться с осторожностью, так как внешне небольшие трещины могут быть признаком серьезных повреждений в армировании, что создает угрозу внезапного разрушения элемента и конструкции в целом. Поэтому необходимо учитывать следующее:

1) к обследованию повреждений и оценке состояния объекта необходимо привлекать опытных специалистов;

2) при обследовании в процессе восстановительных работ должны быть предприняты мероприятия, предупреждающие возможность обрушения;

3) следует различать повреждения (разрушения), вызванные высоким уровнем нагрузки, и повреждения вследствие имеющихся дефектов конструкций, возникших при их изготовлении или вследствие плохих условий эксплуатации, которые в последнем случае устраняются, как правило, простым восстановлением проектной прочности элемента конструкции (стыка);

4) при выполнении работ по восстановлению прочности или усилению конструкции она должна быть, по возможности, максимально разгружена.

9.3.2 Возникновение при землетрясении горизонтальной нагрузки создает существенное изменение напряженного состояния в конструкции по сравнению с существующим при обычной вертикальной нагрузке. Итоговый результат такого изменения - увеличение опорных моментов и поперечных сил в элементах каркаса, а также скалывающих усилий в конструкциях диафрагм.

9.3.3 В рамах с жесткими узлами особенно большие усилия от сейсмической нагрузки возникают в стойках нижних ярусов. При связевой конструкции значительного увеличения усилий в стойках каркаса нет, так как поперечная сила от действия сейсмической нагрузки воспринимается главным образом конструкциями связей.

9.3.4 В отличие от обычной конструкции стойки каркаса, предназначенные воспринимать сейсмическую нагрузку, должны иметь более высокий процент косвенного армирования, то есть иметь меньший шаг хомутов, особенно в зонах примыкания к ригелям. Такая мера необходима для обеспечения прочности на действие скапывающих напряжений - по наклонным сечениям.

9.3.5 Стыки сборных конструкций являются местом концентрации напряжений, в особенности при действии кратковременной и знакопеременной сейсмической нагрузки. Поэтому стыки, как наиболее ответственные места сборных конструкций, должны располагаться вне зоны максимальных усилий. При этом конструкция стыка должна отвечать следующим требованиям:

- иметь повышенную прочность и обладать пластичностью;

- быть удобной в производстве работ.

9.3.6 Сборные железобетонные элементы должны быть надежно замоноличены.

Особенно важно выполнять мероприятия по анкеровке большепролетных конструкций и креплению (замоноличиванию) крупных сбор­ных элементов, на которые при землетрясении, вследствие их большой массы, действуют значительные сейсмические силы.

9.3.7 Каркасные здания, как правило, имеют ограждающие конструкции в виде самонесущих стен или навесных панелей, система крепления которых в сейсмических районах должна допускать независимое перемещение каркаса. Такое решение во многих случаях позволяет уменьшить сейсмические усилия в элементах ограждения и даже нагрузку на каркас.

9.3.8 Правильно спроектированные и качественно выполненные конструкции из железобетона являются в достаточной мере сейсмостойкими. Это относится, в частности, как к каркасным зданиям, так и к зданиям с несущими стенами, выполненными из сборных элементов либо монолитными. В повреждениях элементов железобетонных конструкций следует различать четыре степени их состояния.

Легкие повреждения - волосные трещины и трещины раскрытием до 0,3 мм во всех конструкциях кроме большепролетных, в фермах и на опорах сборных большепролетных балок - до 0,1 мм, смещение сборных элементов на опорах на величину до 10 % глубины опирания, отслоение или повреждение защитного слоя.

Умеренные повреждения - трещины в элементах конструкций раскрытием от 0,3 до 0,5 мм, в фермах и на опорах большепролетных балок раскрытием от 0,1 до 0,3 мм; смещение сборных элементов на опорах до 20 % глубины опирания, повреждение стыков сборных конструкций без существенного смещения стыкуемых элементов.

Тяжелые повреждения - трещины раскрыием более 0,8 мм в обычных конструкциях, трещины от 0,5 до 0,8 мм в преднапряженных балках, от 0,3 до 0,5 мм в фермах; разрушение защитного слоя вследствие сжатия с оголением арматуры, наклонная трещина по всему сечению элемента раскрытием более 1 мм, разрушение отдельных стыков со смещением соединяемых элементов.

Разрушения - повреждения бетона по всему сечению элемента с выпучиванием или разрывом арматуры, в том числе с возможным сдвигом смежных сечений; трещины на опорах пролетных конструкций (балки, фермы и т.п.) с выходом на нижнюю грань, с выколом бетона и оголением арматуры; трещины в элементах фермы раскрытием более 0,5 мм.

9.3.9 Железобетонные конструкции, как правило, являются статически неопределимыми системами, поэтому разрушение отдельных элементов или участков еще не означает разрушения конструкции в целом, и ее несущая способность может быть восстановлена. Однако когда разрушений и повреждений много и тем более когда конструкции угрожает обрушение, то в этом случае вопрос восстановления или замены на новую конструкцию решается с учетом экономических соображений.

9.3.10 Элементы железобетонных конструкций при сейсмическом воздействии в зависимости от соотношения нагрузок и прочностных характеристик могут иметь различные виды повреждений. Наиболее характерные повреждения элементов железобетонных конструкций схематически показаны на рисунках 9.14 - 9.19.

На рисунке 9.14 показаны обычные повреждения защитного слоя. Эти повреждения не опасны, но со временем вследствие коррозии арматуры конструкция будет ослаблена и окажется в опасном состоянии. Поэтому защитный слой должен быть обязательно восстановлен.

а — начальные трещины в основании колонны; б и в - обнажение арматурного каркаса на колонне и балке перекрытая

Рисунок 9.14 - Повреждение защитного слоя железобетонной конструкции

а - в - повреждение при увеличении изгибающего момента; г - е - повреждение стоек каркаса при недостаточном косвенном их армировании

Рисунок 9.15 - Стадии повреждения колонн

При перегрузке колонн горизонтальной сейсмической нагрузкой в зоне значительных изгибающих моментов могут возникнуть в арматуре пластические деформации (рисунок 9.15, а). Если эти моменты превышают несущую способность, то может произойти местное разрушение колонны с выпучиванием арматуры (рисунок 9.15, б) или ее разрыв и раздробление бетона (рисунок 9.15, в). Последние виды разрушений требуют проведения незамедлительного выполнения восстановительных работ и, если надо, выполнения необходимого комплекса усиления. Характер повреждения стойки каркаса, приведенный на рисунках 9.15, г - е, свидетельствует о недостаточном косвенном армировании, т.е. в этой зоне оказалось мало хомутов для восприятия поперечной силы. Если трещины проходят через все сечение бетона, то возможно даже взаимное смещение верхней и нижней частей колонны (рисунок 9.15, е).

На рисунке 9.16 изображены обычные виды повреждений балок перекрытий и стыка верха колонн с ригелем, которые возникли от действия больших скалывающих напряжений в ригеле и от чрезмерного изгибающего момента в стойке. Если раскрытие этих трещин превышает 2 - 3 мм, то конструкция должна быть усилена.

Если при конструировании балок не учитывают усилия жесткого защемления в местах их опирания (сварка, анкерное крепление), то в верхней части балки в узлах опирания возникают трещины, показанные на рисунке 9.17, а, б).

а - трещины в растянутой зоне балки; б - повреждения в верхнем узле рамного каркаса

Рисунок 9.16 - Повреждение конструкции перекрытия и элементов каркаса

а, б - трещины, вызванные недостаточным армированием торца балки, жестко закрепленной на опоре; в, г - трещины в балке с недостаточной площадью сечения отогнутой или поперечной арматуры; д - смещение плит покрытия

Рисунок 9.17 - Повреждение железобетонной балки на опорном и приопорном участках

При недостаточном армировании концевых участков балки для восприятия поперечных сил в этих местах (рисунок 9.17, в, г) возникают косые трещины, которые в случае их полного пересечения балки свидетельствуют о том, что хомуты разорваны либо находятся за пределом упругости, и несущая способность балки поддерживается в значительной мере за счет сил сухого трения.

Примеры повреждения конструкции фермы покрытия показаны на рисунке 9.18. В основном эти повреждения вызваны следующими обстоятельствами:

а) образованием трещины вследствие скалывающих усилий в зоне сопряжения верхнего и нижнего поясов;

б) недоучетом величины усилия в растянутом элементе нижнего пояса и, как следствие, появлением здесь трещин растяжения, а также образованием косых трещин в районе узла из-за недостаточного числа поперечных стержней арматуры (хомутов);

в) раздроблением бетона в сжатом элементе верхнего пояса и возникновением трещин отрыва в нисходящем раскосе фермы.

а - трещины от скалывающих усилий в опорном узле; б - трещины, вызванные растяжением нижнего пояса и поперечными силами в одном из узлов этого пояса; в - раздробление бетона в сжатом элементе верхнего пояса и трещина отрыва в нисходящем раскосе

Рисунок 9.18 - Разрушение элемента железобетонной фермы

9.3.11 Работу по восстановлению или усилению железобетонных конструкций выполняют с использованием металла разного сортамента, начиная от легкой арматуры и кончая крупными прокатными профилями, а также бетона высокого класса (выше В30) и полимерных составов. При проведении работ по восстановлению или усилению конструкций необходимо соблюдать рекомендации п. 9.2.20 настоящего Свода правил.

9.3.12 Разрушенный плоский участок стены, оболочки или перекрытия восстанавливают следующим образом (рисунок 9.19). Разрушенный участок разбирают до неповрежденного бетона, при этом не менее чем на 12 см обнажают концы имеющейся в конструкции арматуры и восстанавливают ее проектные характеристики с небольшим усилением (обычно от 5 % до 10 %), и далее осуществляют обетонирование бетоном класса на ступень выше, чем применялся ранее.

9.3.13 Восстановление или усиление элементов перекрытия (рисунок 9.20) и несущего каркаса здания выполняют с увеличением проектного сечения конструкции. Общая последовательность проведения работы заключается в следующем: удаляют бетон и восстанавливают арматуру на поврежденных участках конструкции; выполняется насечка поверхности бетона (или даже полное удаление защитного слоя) на всем усиливаемом элементе; затем элемент дополнительно армируется с установкой хомутов и распределительных стержней и бетонируется в опалубке или торкретируется. Такой способ является наиболее надежным. если устраиваемая железобетонная оболочка полностью охватывает проектное сечение элемента (рисунок 9.20, б, в).

1 - поврежденный участок; 2 - новый бетон; 3 - восстановленная арматура

Рисунок 9.19 - Схема восстановления поврежденного плоского участка железобетонной конструкции

а - усиление элементов плиты перекрытия; б - усиление балки с элементами перекрытия либо колонны, прислоненной к стене; в - укрепление ствола колонны; 1 - монолитная железобетонная плита усиления; 2 - балка с элементами перекрытия; 3 - железобетонная обойма; 4 - колонна

Рисунок 9.20 - Способ усиления железобетонной конструкции

9.3.14 Увеличение несущей способности железобетонной конструкции в большинстве случаев достигается усилением ее прокатным металлом. Это наиболее простой способ усиления. При этом поврежденный элемент укрепляют достаточно жесткой конструкцией из уголка, швеллера или другого профильного металла, соединенного с ним, что позволяет существенно уменьшить усилия в железобетоне (рисунок 9.21). Очень часто усиливаемый элемент просто схватывается металлическим бандажом, конструкция которого жестко присоединяется к железобетону и в последующем обетонируется либо покрывается защитным составом.

9.3.15 Дополнительный несущий элемент (рисунок 9.22) применяют для усиления главным образом балок перекрытия. При этом создается самостоятельная металлоконструкция, частично или полностью разгружающая железобетонный элемент. В качестве такой конструкции применяют балку, шпренгель, ферму, дополнительную стойку, раму и т.д.

Такую конструкцию включают в рабочее состояние путем подклинивания или натяжения винтовыми устройствами.

а - усиление участка плиты перекрытия; б - усиление ригеля рамной конструкции; в - усиление железобетонной конструкции присоединенным к ней металлом; 1 - уголок; 2 - швеллер; 3 - хомуты; 4 - металлический корсет

Рисунок 9.21 - Вариант увеличения несущей способности железобетонной конструкции прокатным металлом

9.3.16 Все большее применение находят специальные клеящие средства вследствие того, что клеящие средства быстро твердеют, обладают высокой прочностью и адгезией (рисунок 9.23). При ремонте трещин клеевыми составами для их заполнения используют несложное оборудование и простые приспособления в виде герметизирующих лент и армирующих накладок (шпонок). Следует отметить, что в последнее время разработано большое число новых клеящих средств, однако в восстановительных работах следует использовать только апробированные средства, у которых должны сочетаться их характеристики по прочности и гарантированной долговечности.

а - усиление с помощью балки; б - усиление шпренгельной конструкцией; в - усиление разгружающими рамами; 1 - клин; 2 - балка; 3 - шпренгель; 4 - разгружающая рама

Рисунок 9.22 - Усиление железобетонной конструкции самостоятельной металлоконструкцией

а - усиление конструкции заполнением трещины и пустот эпоксидным клеем; б - усиление с использованием полимерных армированных шпонок; 1 - трещина; 2 - отверстие для штуцера; 3 - герметик; 4 - полимерные армированные шпонки

Рисунок 9.23 - Ремонт и усиление железобетонной конструкции с помощью клеящих средств