Оптимизация конструкций усиления многопустотных плит перекрытия

Оптимизация конструкций усиления многопустотных плит перекрытия

1 2 П.А. Сербиновский , Д.Р.Маилян

1ОАО - институт "Ростовский Промстройниипроект" 2Ростовский государственный строительный университет

Аннотация: Данная статья посвящена разработке оптимальных конструкций усиления многопустотных плит для обеспечения надежного восстановления или увеличения несущей способности, безопасной эксплуатации многопустотных плит, минимизации стоимости и трудоемкости.

Ключевые слова: Многопустотная плита, конструкция усиления, оптимизация, безопасная эксплуатация, армирование, эпюра моментов, эпюра материалов, арматурный стержень, центр тяжести арматуры.

Усиление железобетонных многопустотных плит перекрытия - одна из часто встречающихся задач при реконструкции или капитальном ремонте зданий и сооружений. Данная статья посвящена разработке оптимальных конструкций усиления для обеспечения надежного восстановления или увеличение несущей способности, безопасной эксплуатации многопустотных плит, минимизации стоимости и трудоемкости [1, 2].

Выбор оптимального расположения арматуры усиления по высоте

сечения плиты

Наиболее часто применяемое решение для усиления многопустотных плит - установка арматурных каркасов в пустоты плиты сверху [3, 4]. При этом растянутый арматурный стержень усиления находится выше существующей арматуры плиты. Плечо внутренней пары сил усиленной конструкции уменьшается по сравнению с плечом внутренней пары сил плиты до усиления. Это приводит к перерасходу арматуры усиления.

Данную конструкцию можно оптимизировать, сместив центр тяжести арматуры плиты и арматуры усиления ниже. Это можно осуществить с помощью установки арматуры усиления (или углепластика) ниже существующей арматуры плиты, использовав для этого как существующие

И

конструктивные решения [5- 7], так и новые конструктивные решения (см. рис. 1) [8 - 11]. Таким образом, увеличивается момент внутренней пары сил, что позволяет экономить арматуру усиления.

В случае разрушения усиливаемой плиты по арматуре, чтобы определить необходимую площадь арматуры усиления воспользуемся выражением для определения момента, воспринимаемого изгибаемым железобетонным элементом:

Мг = ИьЬх

где - расчетное сопротивление бетона, Ь - ширина плиты, К!^ -

расстояние от верхней грани плиты до центра тяжести арматуры плиты и арматуры усиления,

х = —(2) ЯьЬ ^

где Е5 - расчетное сопротивление существующей арматуры, А5 - площадь

существующей арматуры, - расчетное сопротивление арматуры

усиления, - площадь арматуры усиления.

Подставляя выражение (2) в (1) и решая полученное уравнение относительно , получаем искомую зависимость:

Я^ = ИьЬк0 - - RsAs,

При этом:

кг0 = к0 + с,

где Л-о - расстояние от верхней грани плиты до центра тяжести арматуры

плиты, с - расстояние между центром тяжести арматуры плиты и центром тяжести арматуры плиты и усиления.

А - А

1 - усиливаемая плита; 2 - пазы; 3 - пустоты; 4 - арматура усиления; 5 - анкер; 6 - отверстие для размещения анкеров; 7 - выступ

Рис. 1 - Установка стержня в пазы ниже пустоты со смещением стержня к нижней грани плиты

и

с

где у - расстояние между арматурой усиления и существующей арматурой плиты.

Решая совместно выражения (3) и (4) , получаем итоговое значение

. Выбрав класс арматуры усиления, определяем необходимую площадь арматуры.

Выбор оптимальной длины конструкций усиления

Чтобы выбрать оптимальную длину конструкции усиления, необходимо определить участок плиты, нуждающийся в усилении. Для этого необходимо сравнить эпюру моментов от нагрузки, которую должна воспринимать плита после усиления, с эпюрой материалов плиты перекрытия до усиления.

Рис. 2. - Сравнение эпюры моментов и эпюры материалов. Очевидно, что в усилении нуждается участок между точками 1 и 2. Рассмотрим наиболее часто встречающийся случай загружения -равномерно распределенной нагрузкой. Момент от внешней нагрузки, которую должна воспринять плита после усиления определяется по формуле:

мг =

2 2 '

где к - коэффициент изменения нагрузки (к = цг / ц), цг - значение равномерно распределенной нагрузки, которую должна воспринять плита после усиления, ц - значение равномерно распределенной нагрузки,

воспринимаемой плитой до усиления, I - пролет плиты, х - текущая координата.

Эпюра материалов плиты до усиления описывается уравнением:

М = <

8 ' w

Чтобы определить положение точек пересечения эпюр м и Мг, приравниваем выражения (1) и (2) ql2

8 ~ 2 2 , (8) Решая уравнение (8) относительно х, получаем выражение для определения положения точек 1 и 2.

'Ч^О' <9>

Аналогично можно определить положение точек 1 и 2 для других случаев загружения, заменяя выражение (6) на соответствующее уравнение моментов.

Длина стержня усиления равна:

Отметим, что 1Г - расчетная длина стержней усиления. При практическом применении длина стержня усиления может варьироваться в зависимости от выбранной конструкции усиления, для обеспечения анкеровки данных стержней.

Пример использования представленных зависимостей

Рассмотрим плиту ПК8-58-12 по серии ИИ-04-4 в.2.

Ее характеристики: ширина сжатой зоны плиты Ь=116см, пролет плиты

2 2

¿=570см, рабочая арматура 4014 А-1У (Л5=6,16см , =5100кгс/см ), к0=19см,

2

бетон класса В15 (М200) Яь=86,7кгс/см , расчетная нагрузка, действующая на плиту по серии q=1120кгс/м . Необходимо увеличить нагрузку в 1,5 раза, по сравнению с нагрузкой указанной в серии. Расчет плиты показал, что практически плита несет нагрузку, указанную в серии. Тогда к=1,5. Усиление производим арматурой класса А400, Щ = 3570кгс/см2

Определим расстояние от опоры плиты (шарнира) до конструкции усиления по формуле (9): х=126см, тогда длина стержней усиления по формуле (10) равна: 1Г=317см (без учета длины анкеровки).

Определим необходимую площадь арматуры усиления при установке в пустоту плиты, по формулам (3 и 4). Она равна Аг5 =3,68 см2, при этом

=18,69 см. Согласно сортаменту необходимо установить 2016 А400.

Установив арматуру усиления на 3 см ниже арматуры плиты, центр тяжести арматуры плиты и усиления сместиться на С — 0,45см

(рассчитывается по формуле (5), тогда Кд = 19,45см. Пересчитывая необходимую площадь арматуры усиления по формуле (3) получаем =3,06см2. Согласно сортаменту необходимо установить 2014 А400.

Следовательно, экономия материалов за счет установки конструкции усиления оптимальной длины составляет до 44% по сравнению с установкой стержней усиления по всей длине плиты. Еще 17% можно сэкономить, опустив стержень усиления на 3 см ниже существующего армирования плиты.

Литература

1. Карлина И.Н., Новоженин В.П. Особенности проведения комплексных натурных обследований объектов, подлежащих реконструкции // Инженерный вестник Дона, 2012, №4 (2) URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1235.

2. Гроздов В.Т. Усиление строительных конструкций при реставрации зданий и сооружений. СПб.: 2005. 114с.

3. Рекомендации по усилению и ремонту строительных конструкций инженерных сооружений. М.: ЦНИИпромзданий. 1997. 167 с.

4. Мальганов А.И., Плевков В.С., Полищук А.И. Восстановление и усиление строительных конструкций аварийных и реконструируемых зданий (Атлас схем и чертежей). Томск: Томский межотраслевой ЦНТИ, 1990. 316с.

5. United States Patent 5,894,003. Lockwood April 13, 1999. Method of strengthening an existing reinforced concrete member. Current International Class: E04G 23/02 (20060101). Inventors: Lockwood; William D. (Dayton, OH).

6. United States Patent 6,811,861. Bank, et al. November 2, 2004. Structural reinforcement using composite strips. Current International Class: E04G 23/02 (20060101). Inventors: Bank; Lawrence C. (Madison, WI), Lamanna; Anthony J. (Madison, WI).

7. Матвеев Е.П., Мешечек В.В. Технические решения по усилению и теплозащите конструкций жилых и общественных зданий. М.: Старая Басманная, 1998. 209 с.

8. Пат. 147226 Российская Федерация, МПК E04G 23/02. Конструкция усиления железобетонной многопустотной плиты перекрытия / Маилян Д.Р., Дедух Д.А., Сербиновский П.А.; заявитель и патентообладатель Маилян Д.Р., Дедух Д.А., Сербиновский П.А, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Ростовский государственный строительный университет, РГСУ. № 201425755 заявл. 25.06.2014 ; опубл. 29.09.2014, Бюл. № 30.

9. Пат. 153650 Российская Федерация, МПК E04G 23/02. Конструкция усиления многопустотной плиты / Маилян Д.Р., Сербиновский П.А.; заявитель и патентообладатель Маилян Д.Р., Сербиновский П.А, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ростовский государственный строительный университет, РГСУ. № 2015106150 заявл. 12.01.2015 ; опубл. 27.07.2015, Бюл. № 21.

10. Пат. 154148 Российская Федерация, МПК E04G 23/02. Конструкция усиления железобетонной многопустотной плиты перекрытия / Маилян Д.Р., Сербиновский П.А.; заявитель и патентообладатель Маилян Д.Р., Сербиновский П.А, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ростовский государственный строительный университет, РГСУ. № 2015100987 заявл. 20.07.2015; опубл. 20.08.2015, Бюл. № 23.

11. Сербиновский П.А., Сербиновский А.В., Маилян Д.Р. Новые конструкции усиления многопустотных железобетонных плит. // Инженерный вестник Дона, 2015, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2015/3313.

References

1. Karlirn I. N., Novozhenin V.P. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №4 (2) URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1235.

2. Grozdov V.T. Usilenie stroitel'nykh konstruktsiy pri restavratsii zdaniy i sooruzheniy [Strengthening of building structures in the restoration of buildings and structures]. SPb. 2005. 114 p.

3. Rekomendatsii po usileniyu i remontu stroitel'nykh konstruktsiy inzhenernykh sooruzheniy [Recommendations for strengthening and repair of building structures engineering structures]. M.: TsNIIpromzdaniy. 1997. 167 p.

4. Mal'ganov A.I., Plevkov V.S., Polishchuk A.I. Vosstanovlenie i usilenie stroitel'nykh konstruktsiy avariynykh i rekonstruiruemykh zdaniy (Atlas skhem i chertezhey) [Restoration and strengthening of building structures damaged and reconstructed buildings (Atlas diagrams and drawings)]. Tomsk: Tomskiy mezhotraslevoy TsNTI, 1990. 316р.

5. United States Patent 5,894,003. Lockwood April 13, 1999. Method of strengthening an existing reinforced concrete member. Current International Class: E04G 23/02 (20060101). Inventors: Lockwood; William D. (Dayton, OH).

6. United States Patent 6,811,861. Bank, et al. November 2, 2004. Structural reinforcement using composite strips. Current International Class: E04G 23/02 (20060101). Inventors: Bank; Lawrence C. (Madison, WI), Lamanna; Anthony J. (Madison, WI).

7. Matveev E.P., Meshechek V.V. Tekhnicheskie resheniya po usileniyu i teplozashchite konstruktsiy zhilykh i obshchestvennykh zdaniy [Technical solutions for strengthening and heat shield design of residential and public buildings]. M.: Staraya Basmannaya, 1998. 209 p.

8. Patent (RU) 147226, Current International Class: E04G 23/02. Design of strengthening reinforced concrete hollow core slabs Mailyan D.R., Deduh D.A., Serbinovskiy P.A.; applicant and patentee Mailyan D.R., Deduh D.A., Serbinovskiy P.A., Rostov civil engineering university, RGSU. Appl. No 201425755, 25.06.2014; Publ. 29.09.2014, Bul. № 30.

9. Patent (RU) 153650, Current International Class: E04G 23/02. Design of strengthening of hollow core slabs. Mailyan D.R., Serbinovskiy P.A.; applicant and patentee Mailyan D.R., Serbinovskiy P.A., Rostov civil engineering university, RGSU. Appl. No 2015106150, 12.01.2015; Publ. 27.07.2015, Bul. № 21.

10. Patent (RU) 154148, Current International Class: E04G 23/02. Design of strengthening reinforced concrete hollow core slabs. Mailyan D.R., Serbinovskiy P.A.; applicant and patentee Mailyan D.R., Serbinovskiy P.A., Rostov civil engineering university, RGSU. Appl. No 2015100987, 20.07.2015; Publ. 20.08.2015, Bul. № 23

11. Serbinovskiy P.A., Serbinovskiy A.V., Mailyan D.R. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2015, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2015/3313.