Оптимизация конструкций усиления многопустотных плит перекрытия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптимизация конструкций усиления многопустотных плит перекрытия

П.А. Сербиновский, Д.Р. Маилян

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 многопустотный плита арматура конструкция

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 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:

, (1)

где - расчетное сопротивление бетона, - ширина плиты, - расстояние от верхней грани плиты до центра тяжести арматуры плиты и арматуры усиления,

, (2)

где - расчетное сопротивление существующей арматуры, - площадь существующей арматуры, - расчетное сопротивление арматуры усиления, - площадь арматуры усиления.

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

(3)

При этом:

, (4)

где - расстояние от верхней грани плиты до центра тяжести арматуры плиты, - расстояние между центром тяжести арматуры плиты и центром тяжести арматуры плиты и усиления.

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

(5)

где - 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:

где k - коэффициент изменения нагрузки (k = q^r / q), q^r - значение равномерно распределенной нагрузки, которую должна воспринять плита после усиления, q - значение равномерно распределенной нагрузки, воспринимаемой плитой до усиления, l - пролет плиты, x - текущая координата.

Эпюра материалов плиты до усиления описывается уравнением:

, (7)

Чтобы определить положение точек пересечения эпюр и приравниваем выражения (1) и (2)

, (8)

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

(9)

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

Длина стержня усиления равна:

, (10)

Отметим, что - 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 =116см, пролет плиты =570см, рабочая арматура 4ш14 А-IV (=6,16см²,=5100кгс/см²), =19см, бетон класса В15 (М200) =86,7кгс/см², расчетная нагрузка, действующая на плиту по серии q=1120кгс/м². 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 k=1,5. Усиление производим арматурой класса А400, = 3570кгс/см²

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

Определим необходимую площадь арматуры усиления при установке в пустоту плиты, по формулам (3 и 4). Она равна =3,68 см², при этом =18,69 см. Согласно сортаменту необходимо установить 2ш16 А400.

Установив арматуру усиления на 3см ниже арматуры плиты, центр тяжести арматуры плиты и усиления сместиться на 0,45см (рассчитывается по формуле (5), тогда = 19,45см. Пересчитывая необходимую площадь арматуры усиления по формуле (3) получаем =3,06см². Согласно сортаменту необходимо установить 2ш14 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. 114 с.

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. 316 с.

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.

Размещено на Allbest.ru