2. Усиление железобетонных конструкций

2.2. Расчеты усиления железобетонных конструкций

Расчеты усиления железобетонных конструкций наращиванием сечений

Правила расчёта и конструирования железобетонных элементов при усилении приведены в [4]. Если в проекте конструкции известной является марка бетона, условный класс бетона по прочности на сжатие принимается равным 80 % от кубиковой прочности, соответствующей марке. Например, определим класс бетона по марке М200 : 0,8 ´ 200 ´ 0,1 = 16 МПа. Как известно, размерность марки приводится в килограммах на сантиметр в квадрате (кг/см²), поэтому переводной коэффициент для получения результата в мегапаскалях (МПа) равен 0,1.

Если в ходе обследования определена фактическая прочность бетона, то условный класс бетона также принимается равным 80 % от прочности бетона.

Расчётные сопротивления по видам напряжённого состояния определяются по таблице СНиП линейной интерполяцией.

При выполнении расчётов по проектным данным сооружений, запроектированных по ранее действующим нормативам, расчётные сопротивления арматуры определяются по формуле

,

где  - коэффициент надёжности, принимаемый равным для первой группы предельных состояний:

для арматуры классов:    А-I, А-II, А-III и В-I ....................... 1,15;

                                          А-IV, А-V и А-VI .......................... 1,25;

                                          В-I, В-II,В_р-II, К-7 и К-9 ................ 1,25.

Нормативное сопротивление арматуры по полученному при испытаниях среднему пределу текучести определяется делением предела текучести на коэффициенты: 1,1 - для А-I, А-II, А-III, А-III_в и А-IV; 1,2 - для остальных.

Расчётные сопротивления арматуры растяжению  при отсутствии проектных данных и невозможности отбора образцов допускается назначать:

-  для гладкой стержневой арматуры  = 155 МПа;

-  для арматуры периодического профиля, имеющего выступы;

-  с одинаковым заходом на обеих сторонах профиля (винт)  = 245 МПа;

-  с правым и левым заходами («ёлочка»)  = 295 МПа.

Расчётные сопротивления поперечной арматуры .

Расчёт усиливаемых железобетонных конструкций следует производить для двух стадий работы:

а)  до включения в работу усиления - на нагрузки с учетом воздействия элементов усиления;

б)  после включения в работу элементов усиления - на полные эксплуатационные нагрузки.

Для сильно повреждённых конструкций (при разрушении 50 % и более сечения бетона или арматуры) элементы усиления следует рассчитывать на полную нагрузку без учёта работы усиливаемой конструкции.

Площадь поперечного сечения арматуры обследуемой конструкции определяется с учётом фактического уменьшения в результате коррозии. Арматура из высокопрочной проволоки в расчётах не учитывается при наличии язвенной или скрытой коррозии, а также если коррозия вызвана хлоридами.

Нагрузка во время усиления не должна превышать 65 % расчётной величины. Допускается выполнять усиление при большей нагрузке. В этом случае расчётные характеристики бетона и арматуры элементов усиления умножаются на коэффициент условия работы .

Коэффициент условия работы конструкции g_с принимается в зависимости от степени разгрузки усиливаемого элемента:

-  при полной разгрузке g_с = 0,95;

-  разгрузке на 75% g_с = 0,9;

-  разгрузке на 50% g_с = 0,8;

-  разгрузке на 25% g_с = 0,7.

Класс бетона усиления по прочности на сжатие следует принимать, как правило, равным классу бетона усиливаемых конструкций, но не менее В15 для наземных конструкций и В12,5 - для фундаментов.

Рекомендуется армирование обойм и рубашек выполнять продольной арматурой Ø ≥ 12мм и поперечной Ø ≥ 8мм. Рекомендуется принимать сжатые стержни Ø ≥ 16мм, шаг хомутов, равным 15Ø рабочей арматуры, но не более 3 d (d - толщина обоймы) и ≤ 200 мм.

На опорах балок следует устраивать замкнутые обоймы. Трёхсторонняя рубашка допустима при устройстве по всей длине балки.

При выполнении сварочных работ в конструкциях под нагрузкой и при отрицательной температуре, а также при действии динамических нагрузок:

-  при высоте катета шва k_f < 6 мм сварку выполнять в два прохода;

-  при k_f ≥ 6 мм - в три прохода.

При выполнении многослойных швов после наложения каждого последующего слоя следует устраивать перерывы для полного остывания до температуры не более 100 ^оС.

При сварке многослойными швами стержней арматуры диаметром до 25 мм диаметр электрода принимать 3 мм, а при диаметре арматуры более 25 мм - 4 мм.

Вертикальные швы сварных соединений стержней выполнять в направлении снизу вверх. Сварные соединения новой арматуры выполнять в балках в направлении от краёв к середине.

Расчеты усиления конструкций разгружающими устройствами с изменением статической схемы работы - шпренгельными затяжками

Воздействие, оказываемое натяжением стержней затяжки [3]

Влияние натяжения затяжки на эпюры моментов М и поперечных сил Q см. на рис. 2.13.

Рис. 2.13 Влияние натяжения затяжки на эпюры моментов и поперечных сил

Сила трения  уменьшает усилие в горизонтальной части затяжки  до величины :

 . (1)

В свою очередь сила  связана с усилием в наклонной части тяжа:

,    (2)

а сила трения пропорциональна усилию в шпренгеле

,         (3)

где  = 0,45 - коэффициент трения, определённый опытным путём.

После подстановки (2) и (3) в (1) получим:

.      (4)

Отсюда находим

.   (5)

(В среднем ).

Зная , легко находим  и

В среднем . Сила создаёт момент на опоре  (по Онуфриеву [3]).

Сила  создаёт обратную по знаку поперечную силу.

Расчёт комбинированной системы балка-затяжка

Комбинированная система «балка - стальная затяжка» является статически неопределимой. Усилия в ней определяются помимо условий статики, рассмотрением деформаций системы. Совместная работа балки и затяжки проявляется в возникновении статически неопределимых растягивающих усилий Х в затяжках от любого загружения железобетонного элемента после того, как создана комбинированная система, т. е. когда создано предварительное напряжение в затяжке.

Для упрощения статического расчёта ниже приводятся формулы, которые позволяют свести расчёт статически неопределимых систем к ряду простых вычислений (табл. 2.1 и 2.2), с помощью которых весьма просто находятся усилия Х для разных видов нагрузки и далее ,  и  [3].

Например, при изменении равномерно распределенной нагрузки на величину q усилие в затяжке равно , где коэффициент w определяется по таблицам в зависимости от места расположения шпренгеля затяжки по длине пролёта и от расположения нагрузки.

Коэффициент А для равномерно распределённой нагрузки определяется, например, для случая, когда шпренгель расположен в четверти пролёта, по формуле

,

где ; ; .

В первом приближении принимаем изгибную жёсткость балки равной , где модуль деформаций бетона при продолжительном действии нагрузки равен , а коэффициент ползучести бетона  определяется по [10, табл. 5.5].

Таблица 2.1

Таблица коэффициентов для расчёта комбинированной системы балка-затяжка при расположении шпренгелей в крайних третях пролёта

Величина напряжения тяжей затяжки назначается в пределах . Чем больше предварительное напряжение, тем больше величина начальной разгрузки балки, но тем меньше остаётся зоны напряжений (до предела текучести) для восприятия нагрузки в дальнейшем.

После назначения величины напряжения  необходимо определить степень затягивания гайки натяжного болта, что контролируется по зазору между тяжами (сближение тяжей) (рис. 2.14).

Таблица 2.2

Таблица коэффициентов для расчёта комбинированной системы балка-затяжка при расположении шпренгелей в крайних четвертях пролёта

Рис. 2.14 К расчёту сближения тяжей

Расчёт сближения тяжей затяжки

Рассчитывается удлинение тяжа  при принятом напряжении : .

Далее определяется боковое смещение .

Величина сближения тяжей .

Расчёт балки с затяжкой на прочность по нормальным сечениям

Расчёт выполняется по методике, изложенной в [3]. Железобетонные элементы, усиленные шпренгельными затяжками, при расчёте на прочность рассматриваются как обычные железобетонные балки с приведённой площадью сечения. В основу расчёта заложено предположение, что напряжения в затяжке и в арматуре балки достигают расчётных сопротивлений одновременно.

Если обозначить площадь приведённого сечения арматуры балки и затяжки , площади сечения балки и затяжки  и  соответственно, то приведённая площадь сечения и рабочая высота приведённого сечения определяются по формулам: