Вопросы технологии усиления строительных конструкций

1. Способы усиления надземных конструкций реконструируемых зданий

1.1. Общие принципы выявления необходимости восстановления несущей способности и усиления железобетонных и каменных конструкций
Необходимость в усилении возникает как в процессе реконструкции (перестройки, перепланировки, изменения технологии или профиля эксплуатации здания), так и при устранении дефектов, возникающих в конструкциях в силу различных факторов. Конструкции следует усиливать лишь после того, как будут использованы все возможные мероприятия по обеспечению их надежной эксплуатации в новых условиях без усиления.
К этим мероприятиям относятся:
— рациональное распределение технологических нагрузок;
— введение временных разгружающих элементов и устройств при демонтаже и монтаже оборудования;
— ограничение сближения кранов, не нарушающее технологический процесс;
— ограничение по одновременному загружению временными нагрузками больших площадей перекрытий, снижение уровня вибрации и динамических нагрузок.

В случае, если указанные мероприятия не дают необходимого эффекта, ставится вопрос о целесообразности усиления. Для решения вопроса об усилении и для проектирования усиления при реконструкции зданий и сооружений необходимы, как правило, следующие материалы:
1. Рабочие чертежи существующих конструкций зданий и сооружений.
2. Данные об инженерно-геологических и гидрогеологических условиях площадки.
3. Данные о соответствии фактического выполнения конструкций проектным решениям с указанием всех отклонений от проекта в части габаритов конструкций, узлов их сопряжения.
4. Результаты геодезической съемки положения конструкций для определения осадок, относительных смещений, прогибов и кренов существующих конструкций, узлов их сопряжения.
5. Данные о продолжительности эксплуатации существующего здания.
6. Данные о величинах и режимах технологических нагрузок в период эксплуатации.
7. Данные о фактических характеристиках бетона и стали каждого конструктивного элемента, количестве арматуры и ее классе, состоянии сварных швов.
8. Данные об особенностях технологического процесса в реконструируемом сооружении (сухой, мокрый, наличие повышенных температур, характер агрессивных воздействий), наличии загазованности, препятствующей выполнению сварочных работ.
9. Данные об имевших место аварийных состояниях конструкций за весь период до момента проектирования усиления.
10. Данные об имевших место аварийных деформациях оснований и причинах, их вызвавших (просадка и набухание от замачивания, усадка основания от повышенных температур, циклическое замораживание и оттаивание).
11. Данные об имевших место ранее усилениях конструкций и оснований.
12. Инженерно-геологические и гидрогеологические условия на период проведения реконструкции (усиления), в т.ч. и уровень агрессивности грунтовых вод.
13. Прогноз подтапливания оснований.
14. Данные о новых нагрузках, режимах эксплуатации и ожидаемой агрессивности среды.
15. Сведения об основных дефектах конструкций, оказывающих влияние на несущую способность, снижение долговечности и ухудшение эксплуатационных свойств конструкций.

Сведения об основных дефектах конструкций включают наименование дефектов, места их расположения (для трещин — их направление), основные размеры и другие данные, характеризующие параметры дефекта.
Основными дефектами железобетонных конструкций, в той или иной мере влияющими на несущую способность, долговечность и эксплуатационные свойства, являются:
— трещины, превышающие их допустимые величины по любой из групп предельных состояний;
— превышенные прогибы и перемещения;
— раковины и сколы;
— отслоение защитного слоя;
— раздробление бетона в сжатых элементах и сжатых зонах;
— коррозия арматуры;
— коррозия бетона;
— обрывы стержней арматуры;
— потеря сцепления арматуры с бетоном;
— дефекты защитных покрытий;
— отклонения от проекта по габаритам конструкций, опорным узлам, сечениям арматуры и пр.

1.2. Основные положения по обследованию железобетонных и каменных конструкций реконструируемых зданий и сооружений
Согласно действующим в настоящее время принципам проектирования и расчета несущих конструкций по предельным состояниям, при обследовании все обнаруженные дефекты (отклонения от нормативных требований) необходимо разделять на следующие типы:
— дефекты, указывающие на угрозу снижения или необеспечения несущей способности;
— дефекты, недопустимые с позиций пригодности конструкций к нормальной эксплуатации.
Одним из наиболее характерных дефектов бетонных и железобетонных конструкций являются трещины. В зависимости от категории трещиностойкости, связанной с условиями эксплуатации, видом (классом) арматуры, напряженным состоянием сечений (растяжение, сжатие) и продолжительностью раскрытия, предельно допустимая ширина раскрытия трещин в условиях неагрессивной среды колеблется от аcrc < 0,1 мм до аcrc < 0,4 мм. Для 1-й категории трещиностойкости образование трещин вообще не допускается. Различают трещины, проявившиеся в железобетонных конструкциях в процессе изготовления, транспортировки и монтажа, и трещины от эксплуатационных нагрузок и воздействия окружающей среды.

К трещинам, появившимся в доэксплуатационный период, относятся:
— усадочные трещины, вызванные быстрым высыханием поверхостного слоя бетона и сокращением объема, а также трещины от набухания бетона;
— трещины, вызванные неравномерным охлаждением бетона;
— трещины, вызванные большим гидратационным нагревом при твердении бетона в массивных конструкциях;
— трещины технологического происхождения, возникшие в сборных железобетонных элементах в процессе изготовления, доля которых в общем количестве дефектов в сборных железобетонных конструкциях достигает 60%;
— трещины в сборных железобетонных элементах силового происхождения, вызванные неправильным складированием, транспортировкой и монтажом, при которых конструкции подвергались силовым воздействиям от собственного веса по схемам, не предусмотренным проектом.
Трещины, появившиеся в эксплуатационный период, можно разделить на следующие виды:
— трещины, возникшие в результате температурных деформаций из-за нарушений требований устройства температурных швов или неправильности расчета статически неопределимой системы на температурные воздействия;
— трещины, вызванные неравномерностью осадок грунтового основания, что может быть связано с нарушением требований устройства осадочных деформационных швов, аварийным замачиваем грунтов, проведением земляных работ в непосредственной близости от фундаментов без обеспечения специальных мер;
— трещины, обусловленные силовыми воздействиями, превышающими способность железобетонных элементов воспринимать растягивающие напряжения.

С точки зрения напряженно-деформированного состояния конструкции трещины можно разделить по их значению, т.е. влиянию на несущую способность:
а) трещины, указывающие на аварийное состояние конструкции;
б) трещины, увеличивающие водопроницаемость бетона (в резервуарах, трубах, стенах подвала);
в) трещины, снижающие долговечность конструкции из-за интенсивной коррозии арматуры (бетона);
г) трещины, не вызывающие опасений в надежности конструкции.
Исследуя характер распространения и раскрытия видимых трещин, в большинстве случаев можно определить причину их образования, а также оценить степень опасного состояния конструкции.
Трещины от силового воздействия обычно располагаются перпендикулярно действию главных растягивающих напряжений.
Усадочные трещины в плоских конструкциях распределяются хаотично по объему, а в конструкциях сложной конфигурации концентрируются в местах сопряжения элементов (узлы ферм; сопряжение полки и ребер в плитах, двутавровых балках и т.д.). Трещины от коррозии проходят вдоль корродирующих арматурных стержней.

1.3. Наиболее часто встречающиеся случаи появления трещин в железобетонных конструкциях

1.3.1. Трещины в изгибаемых элементах
Характерными являются трещины, возникающие в изгибаемых элементах — балках: трещины, перпендикулярные (нормальные) продольной оси, трещины вследствие появления растягивающих напряжений в зоне действия максимальных изгибающих моментов, трещины, наклонные к продольной оси, которые вызваны главными растягивающими напряжениями в зоне действия существенных перерезывающих сил и изгибающих моментов (рис. 1.1).
Нормальные трещины имеют максимальную ширину раскрытия в крайних растянутых волокнах сечения элемента. Наклонные трещины начинают раскрываться в средней части боковых граней элемента — в зоне действия максимальных касательных напряжений, а затем развиваются в сторону растянутой грани.
Раздробление бетона сжатой зоны сечений изгибаемых элементов указывает на исчерпание несущей способности конструкции.

1.3.2. Трещины в предварительно напряженных балках
Балки, армированные высокопрочной арматурой, изготавливаются предварительно-напряженными с повышенными требованиями к трещиностойкости, поэтому появление в них широко раскрытых трещин всегда свидетельствует либо о серьезных технологических недоработках, либо о перегрузках.
Причины возникновения указанных на рис. 1.2 трещин различны. Так, трещины 1 возникают или вследствие малого предварительного напряжения (больших потерь предварительного напряжения) арматуры, или вследствие перегрузки балки по нормальному сечению. Также и трещины 3 говорят о перегрузке нормального сечения.
Трещины 2 свидетельствуют о перегрузке наклонных сечений балки (несоответствие класса бетона проекту или его заниженное значение, большой шаг поперечной арматуры).
Низкий класс бетона, его недостаточная прочность в момент создания предварительного напряжения вызывают нарушение анкеровки преднапряженной арматуры и трещины 4.
Трещины 5, 6 вызваны силовым воздействием при обжатии бетона напряженной арматурой. Они свидетельствуют о недостаточном косвенном армировании в зоне заанкеривания предварительно-напряженной арматуры.
Трещины 7 могут быть вызваны непроектным соединением закладных деталей смежных с балкой конструкций и закладных балки.
Трещины 5, 6 говорят о низкой прочности бетона в момент обжатия.

Рис. 1.1. Характерные трещины в изгибаемых железобетонных элементах, работающих по балочной схеме: 1 — нормальные трещины в зоне максимального изгибающего момента, 2 — наклонные трещины в зоне максимальной поперечной силы, 3 — трещины и раздробление бетона в сжатой зоне элемента.

Рис. 1.2. Картина трещинообразования в предварительно-напряженной стропильной балке.

Сергей ЛЕОНОВИЧ, доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой "Технология строительного производства" БНТУ
Продолжение следует