Усиление монолитных плит перекрытий жилых зданий стеновой конструктивной системы

УДК 624.012.45.04 А.Н. Малахова

УСИЛЕНИЕ МОНОЛИТНЫХ ПЛИТ ПЕРЕКРЫТИЙ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ СТЕНОВОЙ КОНСТРУКТИВНОЙ СИСТЕМЫ

Предложены конструктивные решения по усилению монолитных плит перекрытия: путем закрепления к поверхности плиты металлических полос и путем прокладки дополнительных арматурных стержней в штрабах со шпонками. Показано использование механизма перераспределения усилий при расчете монолитных плит перекрытия в зданиях стеновой конструктивной системы. Приведены рекомендации по обследованию монолитных плит перекрытия перед усилением, а также по применению пробного нагружения для оценки фактической несущей способности плит перекрытия жилых зданий.

Ключевые слова: монолитные плиты перекрытия, жилые здания, стеновая конструктивная система, обследование технического состояния, перераспределение усилий, пробное нагружение, конструктивные решения по усилению.

A.N. Malakhova

STRENGTHENING OF MONOLITHIC FLOOR SLABS OF RESIDENTIAL BUILDINGS THAT HAVE WALL DESIGN SUSTEMS

The author proposes several structural solutions aimed at the reinforcement of monolithic floor slabs by means of fastening metal stripes onto the surface of slabs, laying supplementary reinforcement rods inside indents and attaching them by dowels. The author describes a force redistribution pattern identified in the course of analysis of monolithic floor slabs of buildings that have a wall design system. The author provides recommendations concerning the method of trial loading designated for the assessment of the true bearing capacity of floor slabs of residential buildings.

The monolithic nature of reinforced slabs is attained by supplementary dowel connections. The dowel joint of old and new concrete elements takes the transverse shearing force in the event of bending to assure the monolithic behaviour of elements. Efficient behaviour of a monolithic slab is attained by means of a reliable connection between supplementary reinforcement rods and reinforcement rods inside slabs.

Elements made of composite materials have been recently applied to strengthen reinforced concrete structures. These materials are basically composed of polymer tars and reinforcement materials (glass fiber, carbon and aramid fibers). Polymer sheets, stripes and fabric replace metal sheets, stripes and reinforcing meshes.

Key words: monolithic floor slabs, residential buildings that have wall design systems, examination of the technical condition, redistribution of forces, trial loading, structural reinforcement solutions.

Необходимость в усилении монолитных железобетонных плит перекрытия, в т.ч. в жилых зданиях стеновой конструктивной системы, может возникнуть в связи с изменением назначения помещений, например, нижних этажей жилых зданий. Изменение назначения помещений может привести к увеличению нагрузки на перекрытия. Не редки случаи, когда усиление плит перекрытия приходится предпринимать еще на этапе возведения зданий. Так, выполнение перекрытия из бетона более низкого класса (по сравнению с проектным решением перекрытия) уменьшает несущую способность перекрытия и требует его усиления.

Разработке проекта усиления перекрытия должно предшествовать детальное техническое обследование перекрытия с определением фактических прочностных характеристик бетона, а также уточнением толщины плиты перекрытия, диаметров и расположения рабочей арматуры в плите. Обследование технического состояния монолитной железобетонной плиты перекрытия должно производиться в соответствии с рекомендациями, приведенными в [1]. Затем необходимо выполнить повторный расчет перекрытия с введением в расчет уточненных параметров. В результате повторного расчета выявляются зоны плиты, где требуется установка дополнительной арма-

© Малахова А.Н., 2012

туры и зоны плиты, где, несмотря на изменившиеся условия работы, имеет место запас по установленной в плите арматуре.

Следует отметить, что порой при отсутствии запаса по арматуре в отдельных местах (например, в пролетном сечении плиты выявлен запас по арматуре, а в опорном — нехватка) под нагрузкой происходит перераспределение усилий, и несущая способность плиты перекрытия может оказаться обеспеченной.

Перераспределение усилий является важной особенностью работы железобетонных конструкций. Так, для расчета прямоугольных в плане монолитных плит перекрытия с опиранием по контуру, либо по трем сторонам (рис. 1) имеется методика расчета с учетом перераспределения усилий [2].

Рис. 1. Схема к расчету монолитной плиты перекрытия в здании стеновой (перекрестно-стеновой) конструктивной системы

Определение моментов для монолитных плит перекрытий производится с использованием коэффициентов ортотропии армирования у, уц, которые характеризуют соотношение изгибающих моментов в пролетных и опорных сечениях плиты, приходящихся на единицу длины сечения.

Коэффициенты ортотропии назначается по таблице в зависимости от способа защемления плиты и соотношения ее размеров в плане (^). Диапазон выбора значений коэффициентов ортотропии позволяет регулировать перераспределение усилий.

Значение коэффициентов ортотропии

Способ защемления плиты X = ¡2 / 11 тл у = —!- т2 т, у =-1 т1 тп УII =—1- т2

По контуру 1,0 1.0,9 1.2 1.2

1,2 ,6 0 ,8 0,

1,4 «о, 0, i> 0

1,6 ,3 0, «о, 0,

1,8 ,2 0 ,4 0

2...3 0,2.0,15

По трем сторонам, один край свободный «О, 0 0,3.0,1 1.2 1.2

При заданной распределенной нагрузке на плиту q погонный изгибающий момент m1, по которому подбирается пролетная арматура, располагается вдоль пролета l1 и определяется по формулам: для плиты, защемленной по контуру: qll 3À-1

щ =--------------------------------;

12 À

для плиты, защемленной по трем сторонам и с одной свободной стороной:

ql2 6À-1

щ = —-------------------------,

12 À(2 + уj + yj) + у(1 + УJJ) где у^ у^ — коэффициенты ортотропии для параллельных опорных сечений вдоль стороны плиты длиной l2; уд, у'ц — то же, длиной lj, (для свободного края величина у ' jj).

Погонные изгибающие моменты в других сечениях плиты вычисляют по формулам:

m2 = m1 у; mj = mj yj; mjj = m2yjj, где m2 — погонный изгибающий момент в пролете плиты, вызывающий изгиб вдоль пролета l2; mj — погонный изгибающий момент на опоре плиты, вызывающий изгиб вдоль пролета l1; mjj — то же, вдоль пролета l2.

Для современных многоэтажных жилых зданий не характерна регулярная схема расположения вертикальных несущих конструкций на плане здания. Кроме того, здания зачастую имеют сложное очертание в плане, а вертикальные несущие конструкции представлены стенами, колоннами, пилонами и участками стен. По [3] поперечное сечение колонны (пилона) имеет соотношение сторон не более 4. Более вытянутые в плане колонны относятся к стенам.

Практически оценить перераспределение усилий в плите перекрытия можно, прибегнув к испытанию плиты пробным нагружением. Испытания пробным нагружением проводится в соответствии с требованиями, изложенными в [4].

Для плиты перекрытия жилого дома равномерно распределенная нагрузка (расчетное значение) на плиту перекрытия складывается из временной нагрузки на перекрытие, веса пола и веса перегородок. Для нагружения плиты допускается использовать мешки с цементом (дополнительно взвешенные для уточнения веса). Нагрузку следует прикладывать поэтапно ступенями (долями), каждая из которых не должна превышать 20 % контрольной нагрузки по деформациям. Предельный прогиб плиты не должен превышать при расчетном пролете l = 3 м - (1/150)1, а при l = 6 м - (1/200)1. Для промежуточных значений l предельные прогибы определяются линейной интерполяцией. Для измерения прогибов следует применять измерительные приборы и инструменты с ценой деления не более 0,1 мм.

Сложность усиления плит перекрытия в жилых зданиях связана с необходимостью сохранения исходной высоты поперечного сечения плиты перекрытия, хотя классические варианты усиления железобетонных плит [5] выполняются, в основном, наращиванием размеров поперечного сечения. Кроме того, на приопорных участках плит перекрытия арматура усиления должна быть пропущена через стену.

Усиление плиты путем закрепления к ее поверхности металлических полос, полимерных сеток, стеклоткани незначительно увеличивает высоту поперечного сечения, но требуются практические рекомендации по выбору соответствующего клеевого состава и технологии выполнения работ.

Пример усиления монолитных плит перекрытия путем закрепления к ее поверхности металлических полос приведен на рис. 2, а [5]. Этот способ усиления заключается в проведении следующих операций. Стальные полосы — 100^6 (7) укладываются на верхнюю поверхность плиты. В местах расположения полос под ними должны быть выдолблены канавки (6). Плита поддомкрачивается. Стальные полосы укладываются в канавки и фиксируются в них клеем (3). В качестве клея могут использоваться смолы эпоксидные, полиэфирные, полиуретановые. Концы металлических полос фиксируются болтами-анкерами М12 (2) в заранее пробитых отверстиях (4). После чего канавки заполняются цементно-песчаным раствором (5).

Другой пример усиления монолитной плиты перекрытия показан на рис. 2, б [5]. Плита перекрытия усиливается прокладкой дополнительных стержней (7), которые с помощью вязальной проволоки (2) присоединяются к верхней сетке армирования плиты. Дополнительные стержни прокладываются в штрабах (3) со шпонками (4). Они соединяются хомутами (5) со стержнями нижней сетки армирования плиты. Усиление плиты производится в условиях ее полной разгрузки. Перед бетонированием все контактные поверхности должны быть специальным образом подготовленными.

Рис. 2. Примеры усиления монолитных плит перекрытия в жилых зданиях стеновой конструктивной системы: а — усиление путем закрепления к поверхности плиты металлических полос; б — усиление путем прокладки дополнительных арматурных стержней в штрабах со шпонками

Подготовка поверхности бетона в месте контакта заключается в нанесении насечек (5... 10 мм), обработке бетона металлическими щетками, в очистке от пыли и грязи, в обильном смачивании за 1—1,5.8—12 часов до бетонирования для насыщения водой старого бетона. Поверхность должна быть влажной, но не мокрой. Имеются рекомендации по нанесению на по-

верхность старого бетона слоя цементного раствора (состав 1:2) непосредственно перед бетонированием. Работы по подготовке поверхности старого бетона оформляются актом на скрытые работы.

Строительный рынок страны предлагает различные жидкости-пропитки для улучшения контакта с бетонной поверхностью, но, следует отметить, что это должна быть пропитка, обеспечивающая контакт материалов в условиях несущей изгибаемой конструкции.

Укладываемый бетон должен быть достаточно пластичным (осадка конуса в пределах 8.10 см) на обычном или расширяющемся цементе. Не рекомендуется применять быстротвердеющие цементы из-за возможного уменьшения прочности бетона по контактным поверхностям.

Уплотнение вновь уложенного бетона осуществляется вибрированием, однако лучшим вариантом считается использование торкрет-бетона, который наносится слоями толщиной 7.15 мм, каждый последующий слой — после схватывания предыдущего. Торкретирование уменьшает влияние усадочных явлений на связь старого и свежеуложенного бетона.

Монолитность усиливаемой плиты достигается наличием шпоночного соединения. Шпоночное соединение между новым и старым бетоном при изгибе плиты воспринимает касательные усилия и тем самым обеспечивает совместную работу. Эффективность работы монолитной плиты (см. рис. 2, а) достигается также надежным соединением дополнительной арматуры усиления с арматурой, существующей в плите.

В последние годы в качестве альтернативного варианта традиционному усилению железобетонных конструкций с использованием металлических деталей рассматривается применение элементов из композиционных материалов. Основными компонентами таких материалов являются полимерные смолы (эпоксидная, полиэфирная и др.) и армирующий материал (стекловолокно, углеродное и арамидное волокно) [6—8]. Для усиления железобетонных конструкций применяются листы, полосы, ткани как альтернативная замена металлических листов, полос, арматурных сеток.

Конструктивные решения по усилению железобетонных конструкций композитными материалами, нормативная база расчета, технология производства работ в настоящее время активно разрабатываются. Применение композиционных материалов для усиления железобетонных конструкций считается перспективным направлением.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. СП 13-102—2003. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений. М., 2003. 26 с.

2. Пособие по проектированию жилых зданий. Вып. 3. Конструкции жилых зданий. (к СНиП 2.08.01—85). М. : Стройиздат, 1989. С. 166—168.

3. ГОСТ 8829—94. Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытания нагружением. Правила оценки прочности, жесткости и трещиностойкости.

4. СП 52-103—2007. Железобетонные монолитные конструкции зданий. М., 2007. 17 с.

5. Каталог конструктивных решений по усилению и восстановлению строительных конструкций промышленных зданий. М. : ЦНИИПромзданий, 1987. С. 91, 101.

6. Григорьева Я.Е. Применение композитных материалов для усиления железобетонных конструкций // Вестник МГСУ. 2011. № 1. С. 244—247.

7. Усиление железобетонных конструкций с применением полимерных композитов / Д.В. Курлапов, А.С. Куваев, А.В. Родионов, Р.М. Валеев // Инженерно-строительный журнал. 2009. № 3. С. 22—24.

8. Гапонов В.В. Усиление изгибаемых железобетонных конструкций подземных сооружений композиционными материалами // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2011. № 12. С. 238—246.

REFERENCES

1. SP 13-102—2003. Pravila obsledovaniya nesushchikh stroitel'nykh konstruktsiy zdaniy i sooruzheniy. [Construction Rules 13-102—2003. Procedure for Examination of Bearing Elements of Buildings and Structures]. Moscow, 2003, 26 p.

2. Posobie po proektirovaniyu zhilykh zdaniy. Vyp. 3. Konstruktsii zhilykh zdaniy. (k SNiP 2.08.01—85). [Guide for Design of Residential Buildings. No. 3. Structural Design of Residential Buildings]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1989, pp. 166—168.

3. GOST 8829—94 «Izdeliya stroitel'nye zhelezobetonnye i betonnye zavodskogo izgotovleniya. Metody ispytaniya nagruzheniem. Pravila otsenki prochnosti, zhestkosti i treshchinostoykosti». [State Standard 8829—94. Prefabricated Reinforced Concrete and Concrete Construction Products. Loading Methods of Testing. Guidelines for Assessment of Strength, Rigidity, and Crack Resistance].

4. SP 52-103—2007. Zhelezobetonnye monolitnye konstruktsii zdaniy. [Construction Rules 52-103—2007. Monolithic Reinforced Concrete Structures of Buildings]. Moscow, 2007, 17 p.

5. Katalog konstruktivnykh resheniy po usileniyu i vosstanovleniyu stroitel’nykh konstruktsiy promyshlennykh zdaniy [Catalogue of Design Solutions for the Strengthening and Restoration of Structures of Industrial Buildings]. Moscow, TsNIIPromzdaniy Publ., 1987, p. 91, p. 101.

6. Grigor'eva Ya.E. Primenenie kompozitnykh materialov dlya usileniya zhelezobetonnykh konstruktsiy [Application of Composite Materials to Strengthen Reinforced Concrete Structures]. VestnikMGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2011, no. 1, pp. 244—247.

7. Kurlapov D.V, Kuvaev A. S., Rodionov A.V., Valeev R.M. Usilenie zhelezobetonnykh konstruktsiy s primeneniem polimernykh kompozitov [Strengthening of Reinforced Concrete Structures Using Polymer Composite Materials]. Inzhenerno-stroitel'nyy zhurnal [Civil Engineering Journal]. 2009, no. 3, pp. 22—24.

8. Gaponov V.V. Usilenie izgibaemykh zhelezobetonnykh konstruktsiy podzemnykh sooruzheniy kompozitsionnymi materialami [Strengthening of Bendable Reinforced Concrete Elements of Subterranean Structures Using Composite Materials]. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten’ (nauchno-tekhnicheskiy zhurnal) [Mining Bulletin of Information and Analysis (Scientific and Technical Journal)]. 2011, no. 12, pp. 238—246.

Поступила в редакцию в декабре 2012 г.

Об авторах: Малахова Анна Николаевна,

кандидат технических наук, доцент, профессор кафедр железобетонных конструкций и архитектурно-строительного проектирования,

ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 8 (495) 583-07-65, вн. 17-65,

(495) 287-49-14, вн. 30-35, asp@mgsu.ru, gbk@mgsu.ru.

Для цитирования:

Малахова А.Н. Усиление монолитных плит перекрытий жилых зданий стеновой конструктивной системы [Электронный ресурс] // Строительство: наука и образование. 2012. Вып. 4. Ст. 3. Режим доступа: http://www.nso-journal.ru.

For citation:

Malakhova A.N. Usilenie monolitnykh plit perekrytiy zhilykh zdaniy stenovoy konstruktivnoy sis-temy [Strengthening of Monolithic Floor Slabs of Residential Buildings That Have Wall Design Systems] // Stroitel'stvo: nauka i obrazovanie [Construction: Science and Education], 2012, no. 4, paper 3. Available at: http://www.nso-iournal.ru.

About the authors: Malakhova Anna Nikolaevna,

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Reinforced Concrete Structures, Department of Architectural and Structural Design, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; gbk@mgsu.ru, asp@mgsu.ru; +7 (495) 287-49-14, ext. 30-35; +7(495) 583-07-65, ext. 17-65.