Усиление железобетонных ребристых плит покрытия и перекрытия зданий и сооружений шпренгельными затяжками

Размещено на http://www.allbest.ru/

«Строительные конструкции, здания и сооружения» Белорусско-Российского университета, Могилев, Беларусь)

УДК 69.01:692

УСИЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ РЕБРИСТЫХ ПЛИТ ПОКРЫТИЯ И ПЕРЕКРЫТИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ШПРЕНГЕЛЬНЫМИ ЗАТЯЖКАМИ

Семенюк С.Д.

В статье представлен способ усиления железобетонных ребристых плит покрытия и перекрытия шпренгельными затяжками и приведен расчет усиления ребристых плит покрытия котельной Могилевского комбината силикатных изделий

В настоящее время большое внимание уделяется реконструкции и техническому перевооружению существующих зданий и сооружений, которые эксплуатируются в течение многих десятилетий. Вопросы реконструкции зданий и сооружений напрямую связаны с разработкой методов усиления конструкций и частей зданий.

Влияние внешней среды, внешних физико-геологических процессов, высокотемпературного нагрева при пожаре, нарушение нормальных условий эксплуатации, увеличение нагрузок по сравнению с проектными, а также недоработка на стадии проектирования и строительства вызывают переход конструкции зданий и сооружений в техническое состояние, отличное от проектного. В таком состоянии конструкции могут не удовлетворять предъявляемым требованиям по несущей способности, жесткости или трещиностойкости и долговечности. Необходимость улучшения эксплуатационных качеств железобетонных строительных конструкций вызвана еще и тем фактором, что в Республике Беларусь была принята собственная нормативная база [1], которая устанавливает нормативные нагрузки и коэффициенты надежности по нагрузкам, отличающиеся от прежних в большую сторону. Важной задачей для строительной отрасли Беларуси является поддержание зданий и сооружений, а также их конструкций в пригодном к эксплуатации состоянии. Одним из главных способов восстановления эксплуатационных качеств железобетонных конструкций, в частности - ребристых плит покрытия и перекрытия, является их усиление. Наиболее эффективным с точки зрения увеличения несущей способности и повышения трещиностойкости можно считать усиление ребристых плит постановкой дополнительной внешней арматуры - шпренгельных затяжек.

Шпренгельные затяжки увеличивают несущую способность изгибаемого элемента как по нормальным, так и по наклонным сечениям. Устройство затяжек превращает усиленную ребристую плиту в статически неопределимую комбинированную систему, состоящую из железобетонного элемента и затяжки. При этом изгибаемая усиливаемая плита начинает работать как внецентренно сжатый элемент.

Рис. 1. Расчетная схема изгибаемой конструкции, усиленной шпренгельной затяжкой.

При усилении ребристых плит затяжками могут возникнуть отрицательные изгибающие моменты от предварительного напряжения в затяжке. В этом случае необходимо выполнять проверку прочности на стадии усиления на действие усилия предварительного напряжения в затяжке при нагрузке на конструкцию в момент устройства затяжек[2]. При этом усилие в затяжке принимается равным:

Nad=sp•As,ad,

где sp - величина предварительного натяжения в затяжке, МПа;

As,ad - площадь поперечного сечения шпренгельной затяжки, мм2.

Поскольку реакция от затяжки передается на опорное сечение усиливаемой изгибаемой внецентренно сжатой (растянутой) конструкции, то появляется дополнительная сжимающая сила. Кроме того, в зависимости от места закрепления затяжки, возникают концевые разгружающие или догружающие моменты. При усилении шпренгельными затяжками на усиливаемую ребристую плиту действуют разгружающие силы в местах перегиба затяжки. Расчет прочности железобетонных элементов, усиленных затяжками производится в предположении, что предельное состояние усиленных конструкций наступает одновременно с достижением существующей арматурой и затяжкой расчетного сопротивления.

Для включения дополнительной арматуры в виде затяжек в работу предусматривается ее предварительное напряжение с обязательным контролем величины натяжения. Затяжки выполняются в основном из арматурных стержней диаметром 12-40 мм, реже - из прокатных профилей. На концах затяжки, как правило, имеют резьбу с гайками для ликвидации начальных прогибов стержней и обжатия анкеров в узлах сопряжения с плитой. После корректировки длины гайки на концах затяжки завариваются с болтом. Предварительное напряжение затяжек осуществляется завинчиванием гаек по концам затяжки или отклонением затяжки в пролете с помощью натяжных болтов с упором на смежные плиты, т.е. созданием уклона ветвей затяжек в горизонтальной или вертикальной плоскости. Уклон ветвей затяжек в вертикальной плоскости создается отклонением ветвей затяжки от усиливаемой конструкции или подтягиванием к усиливаемой конструкции. В случае малой ширины поперечного сечения или большой длины усиливаемой ребристой плиты, когда расстояния между ветвями затяжки недостаточно для придания им требуемого уклона в горизонтальной плоскости, применяется их взаимное стягивание несколькими стяжными болтами с установкой между ними дополнительных распорок. При натяжении затяжек путем создания уклона их ветвей величина отклонения от первоначального положения каждой ветви определяется в зависимости от величины предварительного напряжения и отношения длины отклоняемого участка между крайними упорами к полной длине ветви.

В местах перегиба между шпренгельной затяжкой и усиливаемой плитой устанавливаются прокладки из пластины и круглого коротыша с ограничителями, предотвращающими взаимное сближение ветвей затяжки при их предварительном напряжении взаимным стягиванием. На горизонтальных участках шпренгельных затяжек с параллельными ветвями без стяжных болтов устанавливают соединительные прокладки, которые предотвращают смещение ветвей затяжки от проектного положения в процессе предварительного напряжения и при эксплуатации. Дополнительная арматура в виде шпренгельной затяжки при усилении ребристых плит может устанавливаться в расширенный шов между плитами с последующим обетонированием или без него. Концы затяжки при предварительном напряжении заанкериваются с помощью концевых анкеров в виде уголков, опираемых на торцы плит.

Нами, при восстановлении эксплуатационных качеств покрытия котельной Могилевского комбината силикатных изделий, в результате проведенного инструментально - технического обследования[3] состояния железобетонных ребристых плит покрытия данного объекта было установлено, что некоторые плиты покрытия типа 1ПГ имеют следующие дефекты и повреждения: разрушение защитного слоя бетона рабочей арматуры продольных ребер, оголение и коррозия продольной рабочей арматуры на глубину до 0,8 мм; продольное ребро плиты, находящейся на оси “Г”, в приопорной зоне разрушено по наклонному сечению, прогиб ребра до 70 мм, наблюдается прогиб крайнего поперечного ребра до 30 мм, наличие косых и нормальных трещин с шириной раскрытия до 1 мм. По данным визуального и инструментально - технического обследования было составлено заключение о техническом состоянии ребристых плит покрытия и предложено их усиление при помощи шпренгельных затяжек из арматурной стали[3,4]. ребристый плита затяжка резьбовой

Рис. 2. Общий вид конструкции усиления:

1 - усиливаемая ребристая плита типа 1ПГ; 2 - верхний пояс фермы; 3 - упор; 4 - уголок; 5 - подпружная нить; 6 - направляющая стопорная втулка; 7 - шайба; 8 - натяжная гайка; 9 - ребро жесткости; 10 - стяжной болт; 11 - катки - гладкие арматурные стержни; 12 - опорные швеллеры.

Упор (3) из швеллера №18 длиной 1000 мм устанавливается на верхний пояс фермы (2) и сваривается с уголками (4) 75Ч6 мм длиной 500 мм по периметру мест сопряжений швом с высотой катета 6 мм. Сварка производится электродами, соответствующими марке стали (не ниже Э42).

Рис. 3. Конструкция упора и ребра жесткости.

При зафиксированном положении упора (3) в заранее подготовленные отверстия в ребрах плиты и в упоре (3) устанавливается стяжной болт (10) диаметром 20 мм. После этого в направляющую стопорную втулку (6) 40х40х100 мм вставляется подпружный стержень из гибкой арматуры (5) диаметром 18 мм и фиксируется по концам гайками. Концы стержня длиной по 120 мм должны иметь метрическую резьбу М18. Направляющая стопорная втулка приваривается по месту к стенке швеллера электродами не ниже типа Э42 с катетом шва 6 мм.

Рис. 4. Схема закрепления упора.

Затем в 1/3 пролета плиты с каждой стороны продольных ребер устанавливается опорный швеллер (12 )№20 длиной 500 мм со стальным катком (11) диаметром 50 мм таким образом, чтобы они опоясывались подпружной нитью. Уплотнение зазоров и натяжение подпружной нити осуществляется с помощью натяжных гаек (8). Для увеличения натяжения арматуры подпружную нить посередине пролета стягивают стяжными хомутами.

Для создания предварительного напряжения в подпружной нити и для его контроля применена теория винтовой пары [5], согласно которой при нагружении стержня (подпружной нити) осевой силой Fзат для завинчивания гайки к ключу необходимо приложить момент Тзав, а к стержню винта - реактивный момент Тр, который удерживает стержень от вращения. При этом можно записать:

Тзав=Тт+Тр,

где Тт - момент сил трения в опорном торце гайки,

Тр - момент сил трения в резьбе.

В результате необходимых преобразований согласно теореме механики, учитывающей силы трения, а также исходя из конструктивных особенностей резьбового соединения, получаем окончательную формулу расчета:

Тзав=0,5•Fзат•d2•[(Dcp/d2)•f+tg(ш+ц)],

Откуда выразим искомую силу в затяжке:

Fзат = Тзав/(0,5 •d2•[(Dcp/d2)•f+tg(ш+ц)]),

где Тзав - момент завинчивания гайки, определяемый по формуле:

Тзав=Fк•l

здесь Fк - приведенная сила на ключе, принимаемая равной 150 Н,

l=15•d - длина ручки ключа, мм,

d - диаметр поперечного сечения резьбы, мм,

d2 - средний диаметр резьбы, мм,

Dcp - приведенный радиус сил трения на опорном торце гайки (средний радиус торца гайки), мм, определяемый по формуле:

Dcp=(D1+dотв)/2,

D1 - наружный диаметр опорного торца гайки, мм,

dотв - диаметр отверстия под болт, мм,

f - коэффициент трения на торце гайки,

ш - угол подъема резьбы,

ц - угол трения в резьбе.

Данные по резьбовому соединению приведены в табл. 1.

Таблица 1 Характеристики резьбового соединения.

Dcp=(27+18,5)/2=22,75 мм.

Тзав=150•15•18=40500 Н•мм.

Fзат = 40500/(0,5 •16,376•[(22,75/16,376)•0,15+tg(20411+90501)])=11493 Н.

Напряжение в подпружной цепи (5) при известной ее площади поперечного сечения As,ad=254 мм2 составит sp=11493/254=45,25 МПа.

Далее рассмотрим, какое напряжение создается в ветвях затяжки при их сближении. При сближении тяжей величину предварительного напряжения можно вычислить по формуле, предложенной Н.М.Онуфриевым [6]:

sp=е•Es=(v(i2+1)-1)•Es,

где i=tgц=2a/b - уклон наклонных тяжей затяжки над подводимой опорой, Es - модуль упругости стали, принимаемый равным 2•105 МПа.

Рис. 5. К расчету напряжений при сближении ветвей затяжки.

В здании котельной в качестве покрытия приняты железобетонные ребристые плиты типа 1ПГ размером 3,0х6,0 м. Исходя из этого определяем, что величина b, соответствующая расстоянию между катками (11), составляет 3м.

Для наглядности вычислим значения предварительного напряжения при сближении ветвей затяжки на разные расстояния, пользуясь формулой (7):

при a=15 мм i=tgц=2•15/3000=0,01

sp=(v(0,012+1)-1)•2•105=10 МПа;

при a=20 мм i=tgц=2•20/3000=0,013

sp=(v(0,0132+1)-1)•2•105=18 МПа;

при a=25 мм i=tgц=2•25/3000=0,017

sp=(v(0,0172+1)-1)•2•105=28 МПа;

при a=30 мм i=tgц=2•30/3000=0,02

sp=(v(0,022+1)-1)•2•105=40 МПа;

При полном сближении ветвей затяжки a=75 мм,

при a=75 мм i=tgц=2•75/3000=0,05

sp=(v(0,052+1)-1)•2•105=250 МПа.

Произведя, таким образом, оценку данного способа усиления ребристых плит шпренгельными затяжками, следует отметить, что суммарное напряжение, которое можно создать в ветвях затяжки различными способами, достигает 300 МПа. Отличительной особенностью этого способа усиления является включение в совместную работу верхнего пояса ригеля (фермы или балки). При этом отпадает необходимость снятия конструкции кровли для проведения работ по усилению плиты.

Литература

1. СНБ 5.03.01-02 «Бетонные и железобетонные конструкции».-Минск: Министерство архитектуры и строительства РБ,2003.-143 с.;

2. Пособие П1-98 «Усиление железобетонных конструкций» (к СНиП 2.03.01-84).-Минск: Министерство архитектуры и строительства РБ,1998.-93 с.;

3. ХД №9984 “Техническое обследование состояния железобетонных плит покрытия и перекрытия котельной Могилевского комбината силикатных изделий и рекомендации по восстановлению их эксплуатационных качеств”;

4. Семенюк С.Д., Клундук Н.В. Способы восстановления эксплуатационных качеств железобетонных ребристых плит покрытий и перекрытий зданий и сооружений // Проблемы современного бетона и железобетона: сборник трудов. В 2 ч. Ч. 1 бетонные и железобетонные конструкции / редкол.:М.Ф. Марковский [и др.].-Минск: Стринко, 2007,-348 с.:ил;

5. Иванов, М.Н. Детали машин / М.Н. Иванов.-М.:Высшая школа,2005.-408 с.;

6. Онуфриев, Н.М. Усиление железобетонных конструкций промышленных зданий и сооружений / Н.М Онуфриев.-Л.:Стройиздат,1965.-342 с.:ил.

Размещено на Allbest.ru