ТехЛиб

Библиотека научно-технического портала Технарь

Ремонт и усиление колонн

aae06e3002fef623709e2eaf267fdf44Ремонт и усиление колонн приходится производить весьма часто, что вызывается, с одной стороны, их повреждением транспортными средствами, а с другой — дополнительными нагрузками при изменении назначения помещений.

Металлические колонны выполняют из прокатных профилей и труб. Колонны обычно имеют большие скрытые запасы несущей способности, так как они подбираются (в частности, для промышленных зданий) по самому невыгодному сочетанию нагрузок, одновременное воздействие которых маловероятно. Тем не менее, при эксплуатации металлоконструкций в агрессивных средах они поражаются коррозией, обусловленной отложением пыли, увлажнением, соприкосновением с грунтом, полом, отсутствием защиты от атмосферных воздействий, влиянием высоких температур и пр. Наиболее подвержены коррозии опорные части, узлы башмаков, горизонтальные элементы решетки, поражение которых со временем возрастает.

 

Усиление колонн осуществляется главным образом увеличением сечения для обеспечения совместной работы существующего и дополнительного сечений.

 Все вертикальные элементы работают на сжатие, но, в отличие от стен, колонны – стержневой элемент, испытывающий кроме сжатия и продольный изгиб.

Казалось бы, крайние колонны, находятся в менее сложных условиях по прилагаемой нагрузке, но как раз они испытывают неравномерное сжатие (внецентренное). В их случае намного сложнее включить в работу все сечение, если присутствуют негативные изменения в их работе.

 

 

Характерные дефекты и повреждения железобетонных колонн

 

Схема

Визуальное проявление

Причина

 

Продольные трещины по всему сечению

Перегрузка при центральном сжатии.
Снижение прочности бетона

 

 

Продольные трещины в сжатой зоне

Перегрузка при малых эксцентриситетах, увеличение эксцентриситета (е).
Снижение прочности бетона.
Уменьшение диаметра сжатой арматуры вследствие коррозии
 

Нормальные трещины в растянутой зоне

Перегрузка при малых эксцентриситетах, увеличение эксцентриситета (е).
Снижение прочности бетона.
Уменьшение диаметра растянутой арматуры вследствие коррозии
 

Нормальные трещины в растянутой зоне. Продольные трещины в сжатой зоне

Перегрузка при малых эксцентриситетах, увеличение эксцентриситета (е).
Снижение прочности бетона.
Уменьшение диаметра растянутой и сжатой арматуры вследствие коррозии
 

Нормальные трещины

Большая гибкость колонны.
Динамическая нагрузка вдоль или из плоскости колонны.
Неправильное складирование и перевозка.
Температурно-влажностные деформации бетона
 

Короткие трещины в местах опирания балок

Местное смятие бетона при перегрузке.
Снижение прочности бетона.
Отсутствие косвенного армирования

 

Усадочные трещины

Усадочные деформации бетона

 

Трещины вдоль арматуры, ржавые подтеки

Коррозия арматуры в результате нарушения защитного слоя бетона и воздействия агрессивных сред
 

Нормальные трещины в консолях

От действия изгибающего момента при перегрузке, увеличение эксцентриситета приложения нагрузки.
Уменьшение диаметра арматуры вследствие коррозии
 

Наклонные трещины в консолях

От действия поперечной силы при перегрузке.
Снижение прочности бетона.
Уменьшение диаметра арматуры (хомутов и отгибов) вследствие коррозии
 

Сколы бетона на ребрах

Механические повреждения при перевозке и эксплуатации.
Коррозия арматуры. Огневое воздействие

 

Отслоение лещадок бетона

Огневое воздействие. Коррозия арматуры.
Давление новообразований (солей, льда)

 

Шелушение поверхности бетона

Воздействие агрессивных сред.
Попеременное замораживание–оттаивание или увлажнение–высыхание

 

 Основной задачей колонн, как любого сжатого элемента, является восприятие нагрузки, передаваемой от изгибаемых элементов – ригелей и балок.

Поэтому узел сопряжения вертикальных элементов с горизонтальными (оголовки и консоли колонн) – является наиболее важным при решении задачи сохранения пространственной жесткости сооружения, то есть надежности и долговечности здания. 

Способы усиления колонн

Способ Характеристика способа Условия применения
Установка   дополнительных опор Увеличение сечения
Установка предварительно-напряженных каркасов
Установка предварительно    нагретых стальных хомутов
Разгрузка существующей колонны
Накладки, обетонирование
Установка каркасов из уголков на прямоугольных колоннах
Предварительно нагретые хомуты накладывают и в нагретом состоянии сваривают на каркасе усиления или непосредственно на бетоне
Временное усиление любых колонн
Усиление любых колонн в зависимости от местных условий
Усиление прямоугольных колонн, главным образом железобетонных
Применимо для железобетонных колонн любого сечения

Усиление выполняется, как правило, с разгрузкой конструкции; усиление под нагрузкой с использованием сварки не производится, если напряжение в усиливаемой конструкции выше допустимого.

  Усиление железобетонных колонн. Железобетонные и каменные конструкции часто приходится защищать от повреждений транспортными средствами. Так, в нижних частях колонн устанавливают корсеты из металлических уголков, скрепленных накладками, или колонны дополнительно обетонируют.

Если же надо восстановить или увеличить несущую способность колонн, то устанавливают каркасы по всей их высоте, дополнительную арматуру, скрепленную с основной арматурой, и повторно обетонируют их. Наиболее эффективно усиление колонн путем регулирования напряжений предварительно-напряженных каркасов.

Усиление железобетонных конструкций производится дополнительными стержнями-уголками, вверху и внизу скрепленными с опорными уголками в виде хомутов.

Усиление колонн

а — обетонированием нижней части; б — каркасом на нижней части; в — обетонированием по всей высоте; г — составным по высоте каркасом, напрягаемым с помощью распорных болтов; г(1) — колонна, усиленная по вар. г: 1 — опорные уголки; 2 — усиливаемая колонна; 3 — каркас из уголков; 4 — временные скрутки каркаса; 5 — опорные мостики с гайками; 6 — распорный болт с разносторонней резьбой на концах; 7 — стальные накладки

д — усиление каркасом путем стягивания его посередине высоты колонны; д(1) — усиленная колонна по вар. д: 1 — опорный уголок; 2 —колонна; 3 — каркас; 4 — стягивающий элемент; 5 — стальные накладки

е — усиление   колонны   предварительно    нагретыми   хомутами; ж — то же, с приваренными вертикальными стержнями: 1 — усиливаемая колонна; 2 — предварительно нагретые стальные хомуты; 3 — вертикальные   стержни,   приваренные к хомутам

Дополнительные уголки выполняют ломаными посередине; стягивая эти уголки стяжными болтами, их выпрямляют, напрягают и фиксируют приваркой планок. Возникшее при выпрямлении стержней усилие разгружает колонну. Недостатком данного способа является необходимость точного расчета длины стержней, чтобы при стягивании они приняли на себя усилие; бывает, что длинные стержни нельзя стянуть, выпрямить или они стягиваются без усилия.

 Железобетонные обоймы со спиральной обмоткой обладают повышенной несущей способностью при центральном сжатии.

Если при капитальном ремонте перекрытия верхнего этажа решено разобрать, участки стены заменяют поэтажно без временных креплений после окончания монтажа нижележащего перекрытия.

Усиление консолей и оголовков железобетонных колонн

Установка горизонтальных тяжей

Установка наклонных тяжей

Подведение опорных столиков из швеллеров Установка взаимно-стягивающихся тяжей

Устройство предварительно напряженной обоймы из арматурной стали

Устройство предварительно напряженной металлической обоймы

Устройство железобетонной обоймы

Устройство металлической обоймы

  Конструктивное решение усиления простенков с помощью железобетонных и металлических обойм, известное как «рубашка», представляет собой незамкнутую с одной стороны обетонку. Рубашки рекомендуется применять в тех же случаях, что и обоймы, когда по каким-либо причинам не имеется возможности охватить усиливаемый элемент со всех четырех сторон, например колонна, примыкающая одной стороной к стене.

Усиление колонны железобетонной рубашкой

1 — усиливаемая колонна; 2 — рубашка; 3 — рабочая арматура рубашки; 4 — хомуты, 5 — ограждающая стена; 6 — сварка внахлестку хомутов к арматуре колонны

 Железобетонные рубашки более эффективны и, когда возможно, следует применять их. Для небольшого усиления стен можно оштукатуривать их по стальной сетке с ячейками порядка 150х150 мм и сечением 4—6 мм.

При этом следует использовать апробированные способы крепления усиливаемой колонные к несущим стенам.

Крепление стен при отсутствии закладных деталей у колонн и стеновых панелей

Крепление стен при отсутствии закладных деталей у стеновых панелей

Навеска стеновых панелей при смещении колонн

    

Крепление кирпичных стен к колоннам

Подведение опорных столиков под навесные панели

При соотношении сторон усиливаемого простенка или столба более 1:2,5 необходимо сквозное соединение усиливающих конструкций в середине таких опор. С помощью обойм несущую способность сечения можно повысить в 1,5— 2,5 раза.

При небольших размерах простенков и необходимости значительно увеличить их нагрузку в нем устраивают сердечник из железобетона или в виде металлического профиля.

Усиление колонн: а — железобетонная обойма; б — то же, со спиральной арматурой; в — металлическая рубашка с распором (исходное и проектное положения); / — рабочая арматура d=12—16 мм; 2— распределительная арматура d=6—10 мм: 3 — имеющаяся арматура; 4 — угловые накладки 50—80 мм: 5 — упоры уголковых накладок 50—80 мм; 6—стягивающие болты; 7 — полосовая сталь 50х5 мм

Усиление колонии железобетонной обоймой :

а — со стержневой арматурой; б — с жесткой наружной арматурой из уголков; 1 — усиливаемая колонна; 2 — обойма; 3 — продольная арматура обоймы; 4 — поперечная арматура обоймы; 5 — жесткая продольная арматура обоймы; 6 — опорные уголки жесткой обоймы

Изучение возможных способов усиления колонн показало, что применение предварительно-напряженных каркасов, которые разгружают, но не усиливают колонну, малоэффективно, так как не позволяет более полно использовать ее бетон на сжатие, особенно при малой нагрузке (около 10 кН), для колонн малой высоты (Н до 4 м) и большой жесткости (при отношении длины колонны к радиусу ядра ее сечения (l/r<35). Такие каркасы усиления неприемлемы для круглых и многогранных колонн при наличии в верхних их частях консолей.

Усиление колонны

а — железобетонной обоймой со спиральной арматурой: 1 — усиливаемая колонна; 2 — обойма; 3 — спиральная арматура; б — металлической обоймой: 1 — усиливаемая колонна; 2 — стойки-уголки; 3 — соединительные планки; 4 — подкладки; 5 — зачеканка цементным раствором

Широко используются способы усиления колонн путем установки на них предварительно нагретых хомутов из полосовой стали на расчетном расстоянии по высоте колонны, что значительно экономит металл, расходуемый на усиление. Сущность этого способа состоит в том, что колонна обжимается в результате остывания хомутов, и это, подобно косвенному армированию, повышает ее несущую способность. Такие хомуты могут быть поставлены на колоннах любого сечения, в том числе, на круглых, многогранных и прямоугольных. Постановка предварительно нагретых хомутов вместо обычных накладок в рассмотренных выше предварительно-напряженных каркасах усиления также увеличивает несущую способность колонн и благодаря этому сокращает расход металла на их усиление. 

Усиление колонии железобетонной обоймой

а — со стержневой арматурой; б — с жесткой наружной арматурой из уголков; 1 — усиливаемая колонна; 2 — обойма; 3 — продольная арматура обоймы; 4 — поперечная арматура обоймы; 5 — жесткая продольная арматура обоймы; 6 — опорные уголки жесткой обоймы

Усиление колонны наращиванием сечения

1 — усиливаемая колонна; 2 — одностороннее наращивание; 3 — арматура колонны; 4 — добавочная рабочая арматура; 5 — соединительные стержни на сварке

Помимо железобетонных обойм для усиления колонн могут быть рекомендованы металлические обоймы, составными частями которых являются стойки уголкового профиля, устанавливаемые по граням колонн; соединительные планки между ними и опорные подкладки из уголков или листового металла.

Усиление колонн металлическими обоймами

Приспособление для включения в работу металлической обоймы колонны 1 — усиливаемая колонна; 2 — обойма; 3 — столик; 4 — металлический винт; 5 — гайка; 6 — упорный элемент; 7 — ригель; 8 — динамометр; 9 — прокладка

Металлические обоймы рекомендуется применять в случаях, когда нельзя уменьшать габариты производственных помещений и требуется выполнить усиление в кратчайшие сроки.

При устройстве металлических обойм обязательными условиями являются плотное примыкание металлических стоек к граням усиливаемой колонны и их вертикальность. Для достижения этих условий рекомендуется поверхность бетона в месте примыкания стоек выравнивать сколом неровностей и зачеканкой цементным раствором.

Усилить колонны и столбы всех видов и из всех материалов можно такими же приемами, а также с применением распора, т.е. созданием напряжения в обойме.

Металлические накладки по углам в этом решении делаются несколько длиннее расстояния между верхним и нижним упорами (около потолка и пола). Затем их сжимают с помощью болтов, чем достигается нужное предварительное напряжение конструкции, работающей на сжатие.

Эффективность усиления зависит от примыкания по торцам металлических стоек. Включение металлических обойм в совместную работу может осуществляться с помощью специальных приспособлений. В металлической обойме из уголков, устанавливаемых по граням колонны — составной по высоте, предусмотрены опорные элементы с гайками на концах стыкуемых частей обоймы, через которые пропущен натяжной винт с разносторонней резьбой по концам. Для включения дополнительных стержней усиления в работу совместно с колонной на сжатие их распорными болтами предварительно напрягают. После достижения требуемого предварительного напряжения стержней их закрепляют накладными планками, а монтажные скрутки удаляют. По эстетическим соображениям, болты и весь каркас могут быть закрыты дополнительной обшивкой или оставлены выкрашенными. Технико-экономический эффект от применения этого устройства заключается в быстром достижении надежного предварительного напряжения элементов усиления колонны.

При создании предварительного напряжения в поясах вокруг колонны, образованных соединительными планками, — эффективность усиления металлической обоймой значительно возрастает. Кроме описанного выше способа, ввод в напряженное состояние металлических поясов рекомендуется осуществлять следующим образом: соединительные планки каждого из поясов устанавливают на одном уровне и приваривают одной стороной к стойкам; затем приступают к замыканию среднего по высоте колонны пояса, для чего нагревают соединительные планки двух противоположных граней до температуры 100 °С и приваривают к стойкам в нагретом состоянии. Аналогично поступают с планками смежных граней. Таким же образом замыкают остальные пояса обоймы. По мере остывания нагретых соединительных планок усиливаемая колонна подвергается обжатию металлическими поясами.

При создании усиления в вертикальных стержневых элементах особое внимание следует уделять узлу сопряжения колонны с фундаментом.

Устройство железобетонной обоймы

Устройство комбинированной обоймы

Устройство железобетонной обоймы для колонны примыкающей к стене

Устройство стальной обоймы

Усиление колонн, у которых нельзя произвести распор каркаса усиления, производится следующим образом. На колонне с помощью временных скруток устанавливаются вертикально преимущественно профильные элементы, которые обжимаются предварительно нагретыми хомутами-накладками; благодаря такому косвенному армированию намного повышается несущая способность колонны. Так могут быть усилены круглые и многогранные колонны. Для достижения эффекта усиления нагретыми хомутами-накладками необходимо предварительно устранить все зазоры между элементами усиления и колонной.

 Хомуты-накладки заготавливают на стороне, потом вблизи колонны их нагревают (газовой горелкой или в горне до 200— 300 °С), специальным кондуктором или струбцинами плотно прижимают к ней в расчетном положении так, чтобы окончательная сварка происходила при температуре не ниже 100 °С.

Температурное сокращение металла при установленной длине накладки достаточно, чтобы надежно обжать колонну, подобно косвенному армированию; расчеты такого усиления производят по формулам косвенного армирования.

Сегодня усиление колонн требуется производить уже в период строительства