4.2.      МЕТОДЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ЭЛЕМЕНТОВ ЗДАНИЙ

Для восстановления работоспособности строительных конст­рукций, обеспечения их эксплуатационной надежности могут быть использованы пассивные и активные методы.

Пассивные методы восстановления эксплуатационных свойств за­ключаются в выявлении дефектов, повреждений элементов кон­струкций, оценке их влияния на несущую способность конструкций и в определении резервов несущей способности.

Активные методы восстановления работоспособности конструк­ций достаточно разнообразны, но в общем случае их можно клас­сифицировать следующим образом:

—     изменение условий эксплуатации и косвенное усиление;

—     изменение конструктивной схемы сооружения в целом или его отдельных элементов;

—  увеличение сечений отдельных элементов;

—    усиление соединений и узлов конструктивного элемента;

—      специальные методы усиления (например, повышение вынос­ливости и хладостойкости металлических конструкций).

В случае проявления повреждений, несовместимых с нормальной эксплуатацией конструкций возникает необходимость срочного их усиления. Общепризнанным является деление видов усиления на ава­рийное, временное, капитальное и перспективное.

Аварийное усиление осуществляется в экстренных случаях: при потере работоспособности, местном разрушении, значительном ос­лаблении элементов и т.п. Как правило, оно рассчитано на короткий срок эксплуатации. Временное усиление осуществляется с целью поддержания нормальных условий эксплуатации до капитального ре­монта. Перспективное усиление осуществляется в связи с ожидаемым повышением величины или интенсивности нагружения при измене­нии технологического процесса, например, планируемая замена кра­нового оборудования требует усиления подкрановых конструкций.

Восстановление работоспособности несущих конструкций из­менением условий эксплуатации осуществляется снижением по­стоянных и временных нагрузок. Значительное снижение постоянной нагрузки достигается переустройством кровли, например заменой железобетонных плит покрытия на настил из стального профилиро­ванного листа с эффективным утеплителем. В некоторых случаях де­монтаж светоаэрационных фонарей, замена их на зенитные позволяет избежать образования снеговых мешков и соответственно снизить расчетные снеговые нагрузки. Временные крановые нагрузки могут быть снижены путем ограничения грузоподъемности крана, умень­шения хода грузовой тележки, сближения кранов между собой и т.п.

4.3.1.   Восстановление эксплуатационных свойств оснований и фундаментов

Основными причинами, вызывающими необходимость усиления оснований и фундаментов являются следующие:

—  ослабление кладки фундаментов;

—    уменьшение несущей способности грунтов;

—    увеличение нагрузки на фундаменты.

Классификация основных методов усиления оснований приведена в табл. 4.11, основные методы восстановления и усиления фундамен­тов эксплуатируемых зданий— в табл 4 ,12 и на рис 4.11,412,4.13

 

 

 

 

 

4.3.2.   Восстановление эксплуатационных свойств металлических и железобетонных конструкций

Металлические конструкции

На сети железных дорог эксплуатируются производственные здания, построенные в 1960—1970-е гг. и ранее. В эти годы в одноэтажных производственных зданиях со стальным каркасом осуществлялось же­сткое сопряжение сквозных ригелей с колоннами. Опорные моменты от жесткого сопряжении ригелей с колоннами при проектировании не учи­тывались из-за некоторой податливости соединения. В этих случаях усиление стропильных ферм можно осуществить устройством гаранти­рованного восприятия опорных разгружающих моментов. Для сниже­ния деформативности опорных закреплений их можно усилить путем замены обычных болтов во фланцевом креплении верхнего пояса к ко­лоннам на высокопрочные (фрикционные) или сварку (продольные гра­ни фланцев приваривают к полке колонны).

Учет опорных разгружающих моментов позволяет снизить рас­четные усилия в стержнях сквозных ферм. Кроме того, возможна оценка влияния отдельных стержней с общими выгибами на на- пряженно-деформированное состояние ферм, проводимая на основе исследования геометрической и физической нелинейности работы деформированных элементов. Для этого применяется метод двух рас­четных сечений А.В. Геммерлинга, позволяющий определить пе­ременную жесткость погнутых стержней на основе реальной диаг­раммы деформирования стали [9].

Изменение жесткостей элементов с начальными искривлениями в процессе нагружения приводит к перераспределению усилий в стер­жневой системе. Снижение усилий в несущих элементах стального кар­каса может быть обеспечено учетом пространственной работы за счет связей, тормозных конструкций и других элементов. Например, в по­крытии в значительной степени снижаются усилия от подвесных кранов при учете (или постановке) вертикальных связей между стропильными фермами. Некоторые запасы несущей способности элементов стро­пильных ферм, особенно стержней верхнего пояса, выявляются при учете совместной работы ферм с железобетонными плитами покрытия при их гарантированной приварке к фермам.

Усиление элементов возможно при применении комбинированных систем, когда новые несущие конструкции подводят под существующие (или устанавливают над ними), в результате чего происходит разгрузка систем.

Наиболее распространенным методом восстановления несущей способности элементов металлических конструкций с дефектами и повреждениями является усиление путем увеличения их сечений. При этом соединение усиливаемого элемента с элементом усиления должно обеспечить их совместную работу при последующем нагру­жении. В современных условиях наиболее эффективным видом со­единения является сварка. Допустимо применение высокопрочных (фрикционных) болтов.

Использование сварки под нагрузкой накладывает определенные ограничения как на выбор конструктивной формы элементов усиле­ния, так и на технологические приемы выполнения сварочных опера­ций. Эти ограничения связаны, во-первых, с возможностью времен­ного снижения несущей способности усиляемого элемента от нагрева в процессе сварки и, во-вторых — с возможностью накопления в процессе усиления значительных остаточных пластических деформа­ций.

В связи с этим, усиление конструкции под нагрузкой с помощью сварки возможно в том случае, если абсолютное значение напряже­ний в усиляемом элементе а₍₎ не будет превышать следующих вели­чин [26]:

—      для I группы сварных конструкций, работающих в особо тя­желых условиях Go < 0,2 R_v0 (R_vо - расчетное значение предела те­кучести усиливаемого элемента);

—        для элементов сварных конструкций, непосредственно вос­принимающих подвижные и динамические нагрузки, но не входящие в J группу (подкрановые балки для кранов с группой режимов работы 1К...6К, пролетные строения галерей, балки соответствующих рабо­чих площадок и т.п.), а₍₎ < 0,4 R_y();

—     для всех остальных сварных конструкций, работающих на ста­тические нагрузки, а₀ < 0,4 R_}ih

Если эти условия не выдерживаются, то перед началом усиления нужна разгрузка конструкции до соответствующего уровня.

Как отмечено в главе 2, подкрановые конструкции в стальных каркасах являются наиболее повреждаемыми элементами, особенно при режимах работы крана 6К...8К. Усиление подкрановых кон­струкций с целью восстановления работоспособности, повышения ресурса по выносливости должно содержать ряд конструктивно­технологических мероприятий:

—     восстановление повреждений, залечивание трещин;

—     рихтовка в плане и по высоте крановые пути, при необходи­мости усиление верхнего пояса продольными ламелями, привари­ваемыми к ребрам жесткости;

—   установка более мощного кранового рельса, подрельсовой бал­ки или низкомодульной прокладки.

Эти меры приводят к снижению местных (локальных) напряже­ний; возможен и ряд других решений. Некоторые приемы восста­новления эксплуатационных свойств стальных конструкций при­ведены в табл. 4.4.

Ранее отмечено, что одним из самых опасных видов предельных состояний первой группы являются хрупкие (квазихрупкие) разру­шения. Опасность связана с внезапностью, отсутствием видимых пластических деформаций при разрушении и с низким уровнем но­минальных напряжений Повышение сопротивляемости хрупкому разрушению проводится в основном конструктивными приемами. Наиболее действенным методом повышения хладостойкости (по­ниженная хладостойкость — одна из причин хрупкого разрушения) является метод деконцентрации напряжений (см. табл. 4.5). При­меняется также метод локального нагрева и создания остаточных сжимающих напряжений перегрузом конструкции.

Элементы, в которых обнаружены трещины, следует усилить при помощи накладок или стрингеров. Для предотвращения дальнейшего развития трещины ее вершину необходимо засверлить. Ось отверстия принимается по ходу трещины на расстоянии, равном половине тол­щины элемента от ее вершины. Используют сверло диаметром не ме­нее толщины элемента.

Классификация основных методов усиления приведена в табл.

4.13.

 

 

 

Железобетонные конструкции

Способы ремонта и усиления железобетонных конструкций про­изводственных зданий весьма разнообразны и осуществляются с применением как традиционных строительных материалов — металл, бетон, так и различных полимерных — смол, мастик, стекло­пластиков. При аварийном усилении используются также деревянные конструкции.

Способы восстановления эксплуатационных свойств железобе­тонных конструкций делятся на три основные группы. К первой группе относится увеличение размеров поперечного сечения эле­ментов (обоймы, рубашки, наращивание), увеличение несущей спо­собности и трещиностойкости созданием армированных полимерных покрытий. Вторая группа включает в себя изменение статической схемы несущих элементов конструкций — дополнительные жесткие и упругие опоры, горизонтальные и шпренгельные затяжки, распор­ки. К третьей группе относится устройство разгружающих конструк­ций в виде распределительных плит, балок, ферм.

Основной проблемой эффективности того или иного метода уси­ления является прочная и надежная связь элементов усиления с уси­ливаемой конструкцией. Она должна обеспечивать совместное де-

формирование, т.е. одновременное восприятие усилий от эксплуа­тационной нагрузки. Поэтому работы по ремонту и усилению бе­тонных и железобетонных конструкций требуют особой тщатель­ности при выполнении и являются достаточно трудоемкими.

Классификация методов усиления железобетонных конструкций представлена на схеме рис. 4.14.

Для лечения разрушенных участков бетонных и железобетонных конструкций — отслоения защитного слоя, каверн, раковин и пустот на поверхности, общего разрыхления структуры бетона и др. — при­меняют различные технологические приемы и материалы. При ре­монте в условиях действующего производства необходимо при­менение быстротвердеющего материала, обладающего высокими фи­зико-механическими характеристиками и надежной адгезией к бето­ну. Такими материалами являются синтетические клеи, растворы, мастики, а также полимербетоны на их основе. В России и за рубе­жом используются эпоксидные мастики, модифицированные различ­ными соединениями, а также полиэфирные и полиуретановые компо­зиции. Эти материалы обладают высокой стойкостью к истиранию и растрескиванию, высокой твердостью в сочетании с эластичностью, хорошими адгезионными показателями и оказывают позитивное воз­действие на напряженно-деформированное состояние конструкций.

При ремонте разрушенных поверхностей с восстановлением защитного слоя бетона поврежденный участок очищают от раз­рушившегося бетона до структурно прочного основания. Для со­здания необходимой связи старого и нового бетона используют промежуточный слой — шероховатый цементный клей, синте­тические клеи с песчаным наполнителем и обогащенный песком эпоксидный компаунд. Затем укладывают бетон в установлен­ную опалубку.

При значительной площади реконструируемой конструкции при­меняют торкретбетон, который наносится под давлением на заранее подготовленную поверхность. После затвердения торкретбетона обеспечивается надежное сцепление нового и старого бетона.

В случае применения полимербетона его готовят на полимер­ных вяжущих без активного участия цемента и воды. В качестве свя­зующих в полимербетонах чаще всего используются фурановые, эпоксидные, полиэфирные, фенолформальдегидные и другие смо­лы. В качестве наполнителей применяют мелкий щебень, кварце-

 

вый песок, портландцемент, маршаллит, стекловолокно, асбестовый порошок или асбестовое волокно и др. Вид и расход наполнителя ус­танавливают исходя из технических, технологических и эко­номических требований к полимерным покрытиям. Введение на­полнителя позволяет сблизить значения коэффициентов линейного расширения полимерных материалов и цементного бетона, умень­шить разницу в модулях упругости, придать полимерной смеси соот­ветствующие технологические (необходимая вязкость, жиз­неспособность, удобоукладываемость) и технические (механическая прочность, деформативность) свойства, снизить его стоимость.

При недостаточном защитном слое бетона может наноситься до­полнительное защитное покрытие слоем, толщина которого зависит от его защитных функций, состояния существующей поверхности и вида применяемого материала. В зависимости от толщины слоя за­щитное покрытие может характеризоваться как пропиточное, запол­няющее поры или как наслоение. Технология устройства до­полнительного слоя (наслоения) аналогична вышеизложенному.

Для заделки трещин и дефектов в глубине конструкции приме­няют нагнетание в них специальных составов. При значительных размерах дефектов, ширине трещин более 3 мм используют составы на неорганических веществах. Залечивание более мелких дефектов осуществляется с применением составов на основе полимеров инъе­цированием под высоким давлением.

В последние годы получили распространение так называемые гид­роактивные инъекционные составы, которые, реагируя с водой, обра­зуют вспененные структуры, увеличивающиеся в объеме. При этом возрастает внутреннее давление, раствор проникает в припо­верхностную часть конструкции, обеспечивая таким образом сцеп­ление с бетоном. Процесс сопровождается вытеснением воды из тре­щины (шва) с образованием внутри полости водонепроницаемого пе­нополиуретанового заполнения. Способность материала проникать в поры настолько велика, что герметизируются даже примыкающие к местам инъецирования микротрещины, которые ранее не определя­лись визуально. Образующийся в результате химической реакции уп­ругоэластичный пенополиуретан устойчив к действию большинства растворителей, кислот, щелочей и микроорганизмов.

Нагнетание состава осуществляется ручным гидравлическим на­сосом через специальные инъекторы, снабженные обратными клапа­нами.

При повреждении арматуры в каждом конкретном случае должны разрабатываться специальные предложения по ремонту, учи­тывающие вид и назначение конструкции, характер повреждения и условия ремонта.

Ремонт и восстановление эксплуатационных качеств бетонных, железобетонных и других капиллярно-пористых строительных ма­териалов, повышение их долговечности, увеличение межремонтного срока могут быть осуществлены с помощью проникающей гид­роизоляции «Кальматрон», получившей в последнее время широкое применение в России. Созданный в 1980-е гг. в Хабаровском инсти­туте инженеров железнодорожного транспорта «Кальматрон» являет­ся прекрасным гидроизолятором защищаемой конструкции.

Способность состава глубоко проникать внутрь бетона или кир­пичной кладки с образованием однородной водонепроницаемой структуры позволяет успешно применять его как со стороны дав­ления воды, так и с противоположной. Ремонт фундамента, например, с успехом можно осуществить без наружного доступа к нему (вскры­тия).

В отличие от своих предшественников материал оказался весьма прост в применении и неприхотлив к условиям хранения. При изго­товлении смеси не требуется специальных жидкостей, а при добавле­нии в бетон состав хорошо контактирует практически со всеми рас­пространенными марками цемента.

Наряду с эффектом гидроизоляции достигается значительное уве­личение морозостойкости конструкции. Поверхность, покрытая за­щитным слоем, или бетон, в котором «Кальматрон» используется в качестве добавки, становится малочувствительной к воздействию аг­рессивных сред. В емкостях, обработанных подобным образом, могут находиться кислоты, щелочи, морская вода практически любые неф­тепродукты. Еще одна немаловажная особенность материала — 100 %-ная нетоксичность. Многократные испытания доказали безопас­ность его применения в питьевом водоснабжении. С помощью этого материала возможно восстановление водонапорных башен и накопи­тельных резервуаров.

Гидрофобная защита бетона, железобетона и других строительных материалов, конструкций, зданий и сооружений путем моди­фицирования их поверхности водорастворимыми кремнийоргани- ческими соединениями широко используется в мировой практике и в России. При невысоких затратах гидрофобизаторы могут обес-

171

печить значительный эффект. Использование кремнийорганических гидрофобизаторов ГКЖ-94, ГКЖ-12, АКВАСИЛ и др., — весьма це­лесообразно при защите фасадов зданий.

При необходимости усиления несущих железобетонных конст­рукций в соответствии со схемой рис. 4 14 работы должны произ­водиться без изменения расчетной схемы и при нагрузке, не превы­шающей 65 % от расчетной величины. Допускается выполнять уси­ление под большей нагрузкой, но в этом случае расчетные характе­ристики бетона и арматуры умножаются на коэффициент условий ра­боты y_s, 1 = 0,9.

Расчет усиливаемых конструкций должен производиться для двух стадий работы: до включения усиления и после включения. На пер­вой стадии расчет производится на нагрузки, учитывающие вес эле­ментов усиления, и только по первой группе предельных состояний После включения в работу элементов усиления расчет осу­ществляется на полные эксплуатационные нагрузки по предельным состояниям первой и второй групп. По второй группе предельных со­стояний расчет может не производиться, если эксплуатационные на­грузки не увеличиваются, жесткость и трещиностойкость конст­рукций удовлетворяет требованиям эксплуатации, а усиление про­водится для ликвидации дефектов и повреждений.

Для сильно поврежденных конструкций, когда ослабление сечения бетона и арматуры превышает 50 %, элементы усиления должны рас­считываться на полную нагрузку, при этом усиливаемая конструкция в расчете не учитывается. Площадь поперечного сечения арматуры усиливаемой конструкции следует определять с учетом фактического коррозионного износа. Арматура из высокопрочной проволоки при наличии язвенной или питтинговой коррозии в расчетах не учитыва­ется.

Изгибаемые и внецентренно сжатые элементы, усиливаемые бе­тоном и железобетоном, рассчитываются как элементы сплошного сечения при условии соблюдения конструктивных требований по обеспечению совместной работы старого и нового бетона. Расчет же­лезобетонных элементов, усиленных бетоном, арматурой и же­лезобетоном, должен производиться на прочность и по образованию, раскрытию и закрытию трещин для нормальных и наклонных сече­ний элемента. При расчете на прочность и по деформациям следует учитывать деформации и напряжения в железобетонном элементе до включения в работу элементов усиления.

При местном ремонте поврежденного участка усиление необхо­димо распространить на неповрежденные части на длину не менее 500 мм и не менее длины анкеровки продольной арматуры усиления.

Усиление элементов с ненапрягаемой арматурой под нагрузкой допускается производить приваркой дополнительной арматуры к су­ществующей, если при действующей нагрузке в данном сечении обеспечена прочность усиливаемого элемента без учета дополни­тельной арматуры.

Наиболее распространенным методом усиления стропильных кон­струкций (балок, ферм) является устройство преднапряженных затя­жек, шпренгелей. Балочные конструкции с затяжками изменяют свою конструктивную схему, превращаясь в комбинированные системы. В этом случае изгибаемые элементы становятся внецент-ренно- сжатыми Предварительное натяжение затяжек позволяет им надежно работать совместно с усиливаемыми элементами. Предварительное натяжение затяжек, шпренгелей может быть осуществлено стяжными муфтами, электротермическим нагревом и стягиванием между собой парных ветвей (по способу Н.М. Онуфриева). В последнем методе контролируется угол tg а перегиба ветвей [33]; зависимость величины усилия в ветвях от угла их наклона представлена на графике рис. 4.15.

На рис. 4.16 показана схема усиления стропильной фермы дву­мя парами затяжек из круглой арматурной стали диаметром 36 мм,

 

 

 

закрепленными в упорах торцевых обойм. В результате усиления из работы полностью исключена преднапряженная арматура нижнего пояса, выполненная из четырех пучков проволоки 5BII d 15 мм.

Схема усиления железобетонных колонн с помощью устройства стальных обойм из прокатных уголков представлена на рис. 4.17. Ветви обоймы (распорки) состоят из двух уголков, связанных между собой соединительными планками. Уголки распорок привариваются специальными планками к элементам верхнего и нижнего упоров, на которые передаются усилия предварительного натяжения распорок, что необходимо для включения обоймы в работу усиливаемой желе­зобетонной колонны.

 

Для создания предварительного натяжения монтаж распорок про­изводят с перегибом их в середине высоты. После монтажа распорки выпрямляются с помощью натяжных болтов. Усилие пред­варительного натяжения определяется по графику (см. рис. 4.15). Наиболее частым дефектом монтажа является недостаточная площадь опирания сборных элементов. Ликвидация дефектов опирания сбор­ных железобетонных плит может осуществляться по схемам, приве­денным на рис. 4.18.

 

 

В производственных зданиях железнодорожного транспорта по­слевоенной и современной постройки наблюдаются многочисленные повреждения, вызванные некачественным монтажом каркаса. По­следствиями этого являются, в частности, отступления от размеров кранового габарита, вызванные неотрихтованностью подкрановых путей, что в свою очередь ведет к появлению дополнительных усилий в подкрановых балках. Одним из методов ликвидации последствий неотрихтованности подкрановых путей является устройство подвиж­ного рельса (рис. 4.19) по одной нитке пути с возможностью его пе­ремещения в пределах ± 15 мм при проходе крана Пределы принято­го перемещения определяются величиной допустимого строительны­ми нормами на монтаж отклонения рельса от оси балки. Применение подвижного («плавающего») рельса по одной нитке кранового пути позволяет регулировать воздействие тормозных усилий на каркас здания. Тормозные усилия передаются в этом случае только через не­подвижную нитку кранового пути.