BUILDINGS AND STRUCTURES FRAME MULTI-SPAN REINFORCED CONCRETE FLOOR REINFORCEMENT METHOD
СПОСОБ УСИЛЕНИЯ МНОГОПРОЛЕТНОГО ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО ПЕРЕКРЫТИЯ КАРКАСА ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Изобретение относится к области строительства, а именно к усилению и увеличению несущей способности конструкций многопролетных железобетонных перекрытий, ранее возведенных, реконструируемых зданий и сооружений, находящихся в эксплуатации.
Известен способ усиления многопролетных плит перекрытия, включающий приварку дополнительной арматуры с помощью соединительного элемента к существующей вскрытой рабочей арматуре нижней грани перекрытия в пролете здания и верхней грани перекрытия на опоре в зонах изгибающих моментов конструкций. /1/
Известен способ усиления конструкции, включающий внешнее армирование композиционными материалами ленты из углеродного волокна, закрепляемой с помощью приклеивания на основе эпоксидных составов к нижней грани в пролетах и верхней грани на опорах в зонах изгибающих моментов конструкций. /2/
Наиболее близким к предлагаемому является способ усиления перекрытий и балок многопролетного железобетонного каркаса здания преднапряженной арматурой. /3/
Недостатком известных способов является сложность и трудоемкость работ из-за необходимости удаления защитного слоя бетона, вскрытия участка рабочей арматуры и закрепления соединительного элемента с рабочей арматурой с помощью сварки. При этом арматура усиления также закрепляется с соединительным элементом с помощью сварки. Сварной способ закрепления с рабочей арматурой, находящейся в напряженном состоянии, не рекомендуется. Усилия, возникающие в арматуре усиления, передаются конструкции через рабочую арматуру, находящуюся в напряженном состоянии.
Недостатками способа усиления композиционными материалами является то, что клеящие составы не устойчивы к температурным воздействиям, конструкция усиления включается в работу только после увеличения эксплуатационных нагрузок при увеличении существующих прогибов от изгибающих моментов в пролетах и на опорах. Такое усиление не влияет на увеличение прочности опорных зон перекрытий от продавливания, от перерезывающих усилий по наклонным сечениям.
Техническая задача заключается в разработке способа усиления конструкции, при котором упрощается изготовление элементов усиления, сокращается время монтажных работ, при этом не возникает необходимость производства подготовительных работ для вскрытия на усиливаемых конструкциях или подготовки поверхностей конструкций на участках усиления, а элементы усиления, закрепленные на конструкциях, уже в процессе монтажа воспринимают нагрузки, тем самим предварительно усиливая и увеличивая их несущую способность как от изгибающих моментов, так и от перерезывающих усилий (продавливания) на опорах.
Поставленная задача решается таким образом, что в способе усиления перекрытий и балок многопролетного железобетонного каркаса здания преднапряженной арматурой, согласно изобретению, напрягаемую арматуру размещают в пролетах каркаса здания в зоне растягивающих напряжений, у нижней грани перекрытия, а по опорам у верхней грани перекрытия, при этом предварительно снизу и сверху перекрытия на участке, равном 1/3-1/4 длины пролета, устанавливают металлические пластины и стягивают их шпильками с усилием обжатия, меньшим призменной прочности бетона конструкции, а усилие натяжения арматуры Р обеспечивается условием Р≤N*f, где N - усилие обжатия, f - коэффициент трения поверхности металлической пластины и бетона, после чего на нижней и верхней пластинах жестко крепят упоры и размещают в них концы напрягаемой арматуры, затем арматуру нагревают и фиксируют в упорах анкерными устройствами с последующей при охлаждении передачей усилия натяжения через пластины на бетон конструкции. Кроме того, для увеличения усилия натяжения арматуры могут использовать металлическую пластину с насечками на грани, примыкающей к бетону с коэффициентом трения от 0,5 до 3,0.
Предлагаемый способ отличается от известного тем, что напрягаемую арматуру размещают в пролетах каркаса здания в зоне растягивающих напряжений, у нижней грани перекрытия, а по опорам у верхней грани перекрытия, при этом предварительно снизу и сверху перекрытия на участке, равном 1/3-1/4 длины пролета, устанавливают металлические пластины и стягивают их шпильками с усилием обжатия меньше призменной прочности бетона конструкции, а усилие натяжения арматуры Р обеспечивается условием Р≤N*f, где N - усилие обжатия, f - коэффициент трения поверхности металлической пластины и бетона, после чего на нижней и верхней пластинах жестко крепят упоры и размещают в них концы напрягаемой арматуры, затем арматуру нагревают и фиксируют в упорах анкерными устройствами с последующей при охлаждении передачей усилия натяжения через пластины на бетон конструкции. Кроме того, для увеличения усилия натяжения арматуры могут использовать металлическую пластину с насечками на грани, примыкающей к бетону с коэффициентом трения от 0,5 до 3,0.
Арматура усиления многопролетной плиты перекрытия укладывается на анкерные пластины с упорами, заранее закрепленными сверху и снизу плит ячеек каркаса здания по надколонным полосам, на участках 1/3-1/4 пролетов ячеек. Арматурные элементы усиления изготавливают из арматуры мерной длины, на концах которых выполнена винтовая резьба. Верхние и нижние анкерные пластины закрепляются между собой и с конструкциями усиления с помощью шпилек, уложенных в просверленные отверстия в конструкциях.
Арматурные элементы усиления укладывают на анкерные пластины, концы их вводятся в упоры, и на концы устанавливают гайки или вместо гаек анкерные цанговые зажимы.
Для предварительного напряжения арматурные элементы нагревают до определенной температуры (350-400 °С), арматура получает удлинение. В таком состоянии с помощью завинчивания гаек на концах или установки анкерных зажимов арматура фиксируется на упорах. Арматура, остывая, напрягается, и напряжение передается через анкерные пластины конструкции усиления. Процесс напряжения осуществляется поочередно на опорах (по верхней грани) и в пролетах (по нижней грани) участков. Усиление производится по надколонным полосам по продольным осям в одном направлении, затем по всем поперечным осям в другом направлении перекрытия каркаса здания. Конструкция перекрытия переходит в напряженное состояние сжатия в двух направлениях, т.е. в плоское напряженное состояние.
сд
Усилия, возникающие от напряжения арматуры, воспринимают анкерные пластины. Монолитность (неподвижность) анкерных пластин обеспечивается величиной усилия обжатия пластин к бетонной поверхности конструкции, которая рассчитывается формулой N*f≥Р=Р, где
N - усилие обжатия анкерной плиты;
f - коэффициент трения между поверхностями металлической пластины и бетона конструкции, не менее 0,5;
Р - усилие натяжения арматуры;
сд
сд
Р - усилие сдвига, возникающее на пластине от натяжения арматуры. Монолитность, анкерной пластины с бетоном обеспечивается условием N*f≥Р.
Способ закрепления обеспечивает надежное крепление анкерной пластины с конструкцией усиления.
Усилие, возникающее от напряжения арматуры, передается непосредственно на конструкцию через анкерные пластины. Участки конструкции в пролетах и на опорах между анкерными пластинами переходят в напряженное состояние сжатия. При этом шпильки, обжимающие пластины и обеспечивающие анкеровку пластин с конструкцией, работают только на растяжение. Усилие сдвига, возникающее в анкерной пластине от натяжения арматуры, компенсируется усилием обжатия пластины с бетоном и воспринимается непосредственно конструкцией усиления.
Технический результат. Простая схема и конструкция усиления делает возможным изготавливать элементы усиления и монтировать на усиливаемых конструкциях с меньшими затратами на изготовление и монтирование. Соответственно, сокращаются сроки выполнения работ и трудозатраты. Производят усиление ячеек каркаса в пролетах и на опорах в продольном и поперечном направлении натяжением арматуры усиления. В итоге получают двухосно напряженное состояние сжатия как в ячейках плиты каркаса, так же перекрытия каркаса в целом. Уже в процессе монтажа конструкция перекрытия предварительно напрягается, и часть существующих нагрузок воспринимает арматура усиления. Двухосно напряженное состояние сжатия повышает жесткость конструкции перекрытия, уменьшает прогибы в пролетах, а на опорах увеличивает прочность по наклонным сечениям от изгибающих моментов и перерезывающих усилий. Повышается сопротивляемость плиты перекрытия на продавливание, при этом уменьшается величина изгибающих моментов в колоннах.
Способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема конструкции усиления ячейки перекрытия, вид сверху; на фиг. 2 - схема конструкции усиления ячейки перекрытия, вид снизу; на фиг. 3 - разрез по 1-1 фиг. 1; на фиг. 4 - узел А фиг. 3; на фиг 5 - вид по Б фиг. 4.
Конструкция многопролетной плиты перекрытия каркаса здания 1 опирается на колонны 2. Конструкция усиления состоит из арматуры усиления 6 и опорного элемента, состоящего из металлических пластин 3, упоров 4, шпилек 5 и гаек 7.
Способ осуществляют следующим образом.
Пример
На пролетных участках плиты ячейки каркаса 1 (фиг. 1, 2, 3), опирающихся на колонны 2 (фиг. 1, 2, 3), просверливаются отверстия и устанавливаются опорные плиты 3 (фиг. 1, 2, 3) с упорами 4 (фиг. 4, 5), которые с помощью шпилек 5 (фиг. 4, 5) затягиваются и закрепляются на усиливаемой плите перекрытия. Арматура усиления 6 (фиг. 1, 2, 3, 4, 5) вставляется в упоры 4 (фиг. 4, 5), нагревается, удлиняется и в таком состоянии фиксируется на упорах 4 (фиг.4, 5) с обоих концов гайками 7 (фиг. 4, 5). Арматура 6 (фиг. 1, 2, 3, 4, 5), остывая, напрягается. Усилие от напряжения арматуры через опорные плиты 3 (фиг. 1, 2, 4, 5) передается конструкции усиления 1 (фиг. 1, 2, 3, 4, 5) и регулируется температурой нагрева арматуры. При этом арматура усиления 6 (фиг. 1, 2, 3, 4, 5) воспринимает нагрузки усиливаемой плиты перекрытия каркаса 1 (фиг. 1, 2).
S
S
S
S
2
2
Пример расчета удлинения и температуры нагрева для арматуры класса А500С. Максимальное значение усилия натяжения Р арматуры класса А500С для диаметра Ф20 при расчетном сопротивлении R=4600 кгс/см равно Р=R*A=4600*3,14=14130 кгс, где A=3,14 см площадь сечения арматуры.
S
4
4
2
Для расчетной длины арматуры L=6 м=600 см, чтобы получить усилие натяжения Р=14130 кгс, удлинение Δ составит Δ=Р*L/Е*A=14130*600/200*10*3,14=1,35 см=13,5 мм, где Е=200*10 кгс/см - модуль упругости арматуры.
-6
Температура нагрева арматуры Т для получения удлинения Δ=1,35 см будет T=Δ/α⋅L=1,35/11,3*10*600=199,1°С, где
-6
α=11,3*10 коэффициент линейного (теплового) расширения металла. Принимаем предельную температуру нагрева арматуры класса А500С - 200°С.
Источник информации:
1. Реконструкция зданий и сооружений / А.Л. Шагин, Ю.В. Бондаренко, Д.Ф. Гончаренко, В.Б. Гончаров; Под ред. А.Л. Шагина: Учеб. пособие для строит. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1991. - 352 с.
2. Шилин А.А., Пшеничный В.А., Картузов Д.В. Внешнее армирование железобетонных конструкций композиционными материалами. М., Стройиздат.
3. Рекомендации по проектированию усиления железобетонных конструкций зданий и сооружений реконструируемых предприятий. Надземные конструкции и сооружения. Москва, Стройиздат, 1992 /прототип/.