В каких случаях требуется усиление ствола колонны?
Потребность в дополнительном укреплении строительных конструкций обычно возникает после образования дефектов. Колонна в основном применяется как несущий архитектурно-строительный элемент, поэтому для нее характерны разного рода повреждения. Наиболее часто встречаются следующие проблемы:
- Трещины. Самая распространенная разновидность повреждений колонной конструкции, которая может иметь разные формы и проявления. Что касается причин, то деформационные трещины могут возникать в результате усадки здания, повышения нагрузок, коррозии арматуры в стволе, уменьшения прочности бетона и т. д.
- Сколы. Не менее опасный дефект, образование которого может быть связано с механическими или огневыми воздействиями на конструкцию, а также с утратой изначальных свойств металлических несущих стержней.
- Отслоения. Такого рода повреждения также возникают из-за огневых воздействий, коррозии арматуры и давления новообразований – ледяной корки или щелочей.
- Шелушение. Как правило, является следствием контакта с агрессивными средами. Циклические процессы увлажнения/высыхания или замораживания/оттаивания обычно приводят к полному разрушению конструкции.
Факторы деформации структуры могут оказывать влияние на выбор тактики ремонтно-восстановительных мероприятий. Но чаще всего технологии усиления колонн подбираются на основе физико-эксплуатационных качеств и параметров ствола. Перед тем как приступить к обзору конкретных методов решения поставленной задачи, стоит ознакомиться с универсальными правилами организации работ.
Тип сечения
- Постоянное сечение. Имеет вид единого стержня, применяется в постройках, не имеющих каркас, складских помещениях и ангарах. Используют на промышленных цехах, с мостовыми кранами, выдерживающими 10-20 тонн;
- Ступенчатое сечение. Применяют для установок весом выше 20 тонн в результате дополнительного сечения конструкция приобретает жесткость. Такая конструкция имеет подкрановую и основную несущие ответвления.
- Составное сечение применяется довольно редко. В основном используется для невысоких кранов, строительство кранов в несколько уровней, реставрация зданий.
При расчете нужно определить общую величину нагрузки, в соответствии с этим учесть количество и размер опор, увеличения несущей способности для предотвращения появления трещин, глубину заложения. Все эти моменты зависят от вида здания, грунта. Данный расчет должен производиться с таким учетом, чтоб нагрузка равномерна распределялась на фундамент. Если возникают проблемы с этим, то необходимо укрепить песком или гравием место постройки. После чего зная вес будущего здания, площадь основания, рассчитываю нагрузку на опору.
Общие советы специалистов по ходу работ
В усиливающих технических операциях, которые выполняются применительно к несущим сооружениям и конструкциям, часто задействуются различные опоры, накладки и угловые элементы поддержки. Используя подобные приспособления, важно учитывать два правила:
- Количество уровней или пластов укрепляющего бандажа не должно быть меньше трех. Поперечная обвязка и вовсе накладывается в четыре слоя.
- Выдерживается нахлест порядка 20-30 см. Стыковые соединения, как правило, исключаются.
Если планируется использовать способы усиления колонн с обработкой поверхности ствола композитными средствами и полимерами, то изначально должны быть учтены следующие условия:
- Влажность бетона должна составлять не менее 4%. Данный коэффициент проверяется влагомером.
- Конденсат должен быть удален с поверхности колонны.
- Перед непосредственной укладкой полимера на ствол наносится слой эпоксидной смолы.
- Температура конструкции должна варьироваться в диапазоне +10…+45 °С. Это нормальный режим для работы с полимерными составами.
Независимо от применяемого способа усиления ствола колонны, следует произвести зачистку и обеспылевание поверхности. Она должна быть избавлена от загрязнений, жировых пятен, и цементного молочка. Подобные задачи решаются шлифовальным инструментом – ручным или машинным в зависимости от площади.
Технология усиления обоймой
Использование комбинированной обоймы для укрепления стволов колонн позволяет обеспечить стойкость конструкции, как перед динамическими, так и перед статическими нагрузками. Стандартным вариантом исполнения данного метода считается усиление колонн металлической обоймой, но специалисты рекомендуют изначально просчитывать дополнение каркаса железобетонными вставками с замкнутыми стальными хомутами.
Перед выполнением монтажных операций следует выполнить насечки в структуре ствола глубиной до 5 мм. Поверхность колонны также очищается от инородных частиц и защищается от коррозии. Основу каркаса обоймы составит конструкция из поперечных планок и продольных металлических уголков. Продольные компоненты усаживаются на цементно-песчаный раствор и зажимаются струбцинами. Далее по всей длине ствола к уголкам необходимо приварить точечной сваркой поперечные планки, выдерживая шаг порядка 50-60 см.
К преимуществам усиления колонн стальными обоймами можно отнести скорость монтажа и конструкционную гибкость схемы крепления. Сразу после завершения установки каркаса ствол будет готов к принятию расчетных нагрузок, а в дальнейшем при необходимости каркас можно будет модифицировать, внося дополнительные элементы крепежа. Но основную задачу укрепления обойма сможет выполнить только при условии плотного прилегания стяжек и планок с уголками к поверхности колонны. Качество же фиксации определяется гладкостью ствола и его геометрией.
Бетон-Каркас
Колонны обычно усиливают стальными обоймами (рис. 1, а) или железобетонными обоймами (рис. 1, б). Каменную кладку иногда усиливают также и армированными штукатурными обоймами.
Железобетонные колонны крайних рядов (у которых 4-стороннее нара-щивание не всегда возможно осуществить) вместо обойм усиливают рубашками, а колонны, работающие на внецентренное сжатие с большими эксцентриситетами, усиливают также односторонним или двусторонним наращиванием, подобно изгибаемым элементам.
Рис.1. Усиление колонн: а — металлическая обойма, б — железобетонная обойма.
Обоймы выполняют двойную функцию:
- сдерживают поперечные деформации усиливаемого элемента, т. е. повышают его прочность на сжатие за счет объемного напряжения,
- и воспринимают часть вертикальной нагрузки, т. е. частично разгружают усиливаемый элемент.
Примечание!!! Функцию сдерживания поперечных деформаций выполняют планки стальных обойм и поперечная арматура (хомуты) железобетонных обойм, функцию восприятия вертикальной нагрузки – соответственно вертикальные уголки и бетон с продольной (вертикальной) арматурой.
Степень объемного напряжения можно повысить, если в планках создать предварительное напряжение (натяжными гайками, электронагревом, попарным стягиванием). Предварительным напряжением можно также повысить и степень включения в работу вертикальных уголков стальных обойм.
Одним из самых простых способов такого преднапряжения является установка заранее перегнутых уголков с последующим их выпрямлением за счет горизонтального стягивания (рис. 2).
После выпрямления уголки превращаются в распорки и в них возникает сжимающее усилие , на величину которого происходит разгружение колонны.
Здесь 0,9 – коэффициент условий работы, учитывающий потери напряжений от обмятия, Аsc – суммарная площадь поперечного сечения уголков, i = tgα.
Приведенная формула справедлива, разумеется, только при наличии надежных упоров в торцах уголков с самого начала их стягивания. Подобным способом эффективно усиливать колонны, работающие как с малыми (а), так и с большими (б) эксцентриситетами.
При усилении колонн многоэтажных зданий следует помнить о том, что нижние реакции распорок на промежуточных этажах создают дополнительные нагрузки на нижележащие перекрытия, поэтому усиление нужно выполнять, начиная с самых нижних колонн.
Рис.2. Усиление колонны предварительно напряженной подпоркой.
При усилении стальными обоймами последние рассматривают как самостоятельные конструкции, в которых несущими элементами являются вертикальные уголки, а планки играют ту же роль, что и планки стальных решетчатых колонн.
Иными словами, положительным влиянием планок на поперечные деформации бетона усиливаемой колонны пренебрегают.
Наибольший эффект усиления достигается при использовании преднапряженных обойм-распорок, которые можно использовать без разгружения колонн. Проектируя их, следует, однако, помнить о том, чтобы усилие Nsp не продавило опорные поверхности перекрытий (покрытия) и не оторвало от колонны сами перекрытия (покрытие), и о том, что стадия монтажа (стягивания вертикальных уголков) является наиболее невыгодной в работе распорок, так как уголки еще не соединены планками и их гибкость велика.
При отсутствии преднапряжения стальные обоймы имеет смысл применять только при условии частичного или полного разгружения колонн (что далеко не всегда возможно осуществить) и при условии плотной подклинки зазоров между концами уголков и опорными поверхностями.
Тогда при действии дополнительной нагрузки уголки следует рассчитывать на основе равенства их продольных деформаций с деформациями железобетонной колонны (точнее всего – совмещая диаграммы сжатия стали и бетона данного класса).
Понятно, что чем меньше нагрузки снято с колонны, тем меньше напряжения в уголках обоймы, тем менее эффективно работает обойма.
При усилении железобетонными обоймами поперечное сечение, если пользоваться рекомендациями справочников (весьма спорными), можно рассчитывать как монолитное с соответствующими коэффициентами условий работы бетона и арматуры наращённой части и с поправками на разные классы бетона старой и новой частей сечения.
Передавать нагрузку на элемент усиления удобнее всего через горизонтальные (упорные) уголки, которые через тонкий выравнивающий слой раствора следует плотно прижать к опорным поверхностям соответствующих конструкций – балок, перемычек, фундаментов и т. п., а затем приварить к вертикальным уголкам (рис. 3).
Рис.3. Схема передачи нагрузки на усиляющий элемент.
Однако возможности передавать нагрузку на вертикальные уголки существенно ограничены, о чем всегда следует помнить:
- Во-первых, при усилении промежуточных колонн многоэтажных зданий нагрузка от уголков будет передаваться на нижележащие перекрытия. Для такой передачи должна быть уверенность в том, что эти перекрытия в состоянии воспринять дополнительную нагрузку.
- Во-вторых, чтобы передать хотя бы часть нагрузки, необходимо эту часть с перекрытия (покрытия) предварительно снять.
Наконец, в многоэтажных зданиях, чтобы загрузить уголки обоймы нижнего этажа, мало разгрузить перекрытия всех этажей, нужно еще усилить обоймами все выше расположенные колонны, уголки которых будут передавать по цепочке нагрузку на нижнюю обойму.
Если обоймы на выше расположенных колоннах не установить, то на уголки нижней колонны будет передаваться только та часть нагрузки, которая была временно снята с перекрытия одного нижнего этажа.
В силу перечисленных причин использовать в полной мере несущую способность вертикальных уголков без их предварительного напряжения удается крайне редко. Если вертикальные уголки неплотно и неравномерно прижаты к поверхностям усиливаемого элемента, то последний имеет возможность беспрепятственно деформироваться в поперечном направлении до тех пор, пока не исчезнет зазор, – только тогда планки начнут вступать в работу.
При таком качестве исполнения (к сожалению, не редком) проку от усиления почти нет.
Поэтому при усилении стальными обоймами всегда необходимо предусматривать мероприятия, заставляющие планки немедленно включаться в работу.
Одним из них может быть прижатие уголков инвентарными струбцинами до начала приварки к ним планок, другим – предварительное напряжение планок электронагревом или натяжными гайками (в последнем случае планками являются круглые стержни с резьбой на одном конце).
При этом между поверхностями уголков и усиливаемой конструкции следует проложить выравнивающий слой раствора.
Данные требования особенно относятся к усилению каменных или бетонных простенков, образуемых в существующих стенах при устройстве в них новых проёмов.
При пробивке таких проемов перфораторами (отбойными молотками) образуются «рваные» края, зазоры между уголками и поверхностями простенков достигают нескольких сантиметров и стальная обойма, по существу, становится лишь декорацией.
На Заметку!!! Поэтому новые проемы в стенах следует не пробивать, а прорезать дисковой пилой.
Далее, при редком расположении планок разрушение усиливаемого элемента может произойти в промежутках между ними. Поэтому планки по высоте необходимо располагать с шагом не более 500 мм и не более наименьшего размера поперечного сечения усиливаемого элемента.
Рис.4. Схема стягивания поперечных планок стальной обоймы.
Наконец, с увеличением ширины простенков влияние планок, расположенных по коротким сторонам сечения, уменьшается. Поэтому, если ширина простенка превышает его толщину в два раза и более, то длинные планки необходимо стягивать попарно болтами, которые играют роль внутренних планок (рис. 4). Их пропускают через отверстия в кладке с шагом не более 0,75 м по высоте и не более двойной толщины простенка (но не более 1 м) по ширине.
Технология наращивания сечения
Типовая конструкция строительной колонны состоит из двух структурных частей – бетона и армирующих элементов. Если усиление колонн обоймами ориентируется на повышение жесткости несущего металлического скелета ствола наружным способом, то наращивание сечения ставит целью расширение площади несущей поверхности. Увеличивается основная бетонная масса, которая делает конструкцию стабильнее и долговечнее.
Данный метод используется в тех случаях, когда в принципе допускается возможность наращивания технической зоны в месте эксплуатации колонны. Оптимальным способом может стать одностороннее наращивание сечения – по ширине, длине или глубине конструкции. С технологической точки зрения, главная задача мастера будет заключаться в обеспечении достаточно прочной связи нового бетонного слоя со старым. Для этого используются методы усиления колонн металлическими обоймами. Но каркас в данном случае выполняет не функцию самостоятельного несущего элемента, а выступает в качестве вспомогательной армирующей обрешетки, которая и позволит связать два бетонных уровня. Монтируется та же продольная арматура с насечками и уголками. В идеале по возможности ее следует приваривать к основной арматуре в стволе металлическими коротышками. Затем выполняется непосредственное наращивание кладкой бетонного раствора.
Увеличение стойкости
Со временем колонны нуждаются в дополнительном монтаже, для увеличения их опорных способностей. При увеличении устойчивости конструкции необходимо учитывать условия постройки, состояние сооружения, причины по которым необходимо проводить данные мероприятия и экономическую составляющую. Методы увеличения стойкости:
- уменьшения расчетной длины;
- дополнение конструкцию стяжками;
- монтаж предварительно напряжённых распорок;
- укрепление при помощи бетона;
- повышение размера сечения.
При проведении данных работ для нескольких колонн лучше устанавливать добавочные связи, распорки, потому что это повысит устойчивость. Если мероприятия проводят для достаточно высоких сооружений, нужно перед этим сделать напряжённые оттяжки или шпренгельные стяжки.
Технология усиления композитными материалами
Сегодня во многих сферах строительства и производства металлические детали заменяются изделиями из композитов и углепластиковых волокон. Данный вариант усиления колонн выгоден тем, что при меньшей массе и размерах элемента позволяет обеспечивать те же функциональные задачи. Легкое углепластиковое волокно само по себе не перегружает колонну (особенно важно для конструкций ветхих памятников культуры), но проявляет стойкость к нагрузкам подобно стали. Более того, прочность некоторых композитов на растяжение в 4-5 раз выше, чем у железобетонной арматуры.
Техника усиления колонн в данном случае будет заключаться в приклеивании композитных или углепластиковых ламелей перпендикулярно к поверхности ствола. Обычно расчет делается на облегчение вертикальных нагрузок с акцентом на изгибающий момент. Для достижения такого эффекта усиления пластины наклеиваются вдоль линии действия момента нагрузки. Что касается клеевого состава, то могут применяться полимерные строительные смеси, которые также выполнят вспомогательные задачи наружного армирования структуры, влагозащиты и термостойкости – набор свойств клея будет зависеть от условий его применения. Среди достоинств этого метода выделяется отсутствие конструкционных изменений колонны, возможность декорирования ствола путем покраски ламелей и долговечность.
Установка композиционной обоймы
Указанный метод усиления кирпичных стен имеет высокую результативность и эффективность, так как при его проведении применяется высокопрочное стекло или углеволокно.
Данное решение позволяет значительно повысить прочность кирпичной кладки на сжатие и на сдвиг.
Выполняется установка композитной обоймы в следующем порядке:
Использование композитных материалов позволяет минимально увеличить нагрузку на фундамент, а единственным их недостатком является высокая стоимость.
Усиление железобетонных колонн
Для архитектурных стволов этого типа рекомендуется использовать методы укрепления стальной рубашкой. Поскольку речь идет о массивной конструкции с большой массой, то и усиливающий каркас должен плотно входить в структуру колонны. В то же время и перегружать несущий ствол нежелательно, так как это обусловит более высокий эффект механической усталости не только для колонны, но и для нижнего перекрытия. Оптимальным будет применение стальной обоймы с уголками на цементно-песчаном растворе. Как и в классической схеме, усиление ж/б колонн выполняется с поперечными планками и переходными вставками, приваренными к внутренней арматуре ствола.
Перед сваркой важно учесть одну технологическую хитрость. Специалисты рекомендуют нагревать обойные планки до 100-120 °С, и только после этого приступать к соединению. Когда элемент остынет, его размеры станут меньше, что обеспечит положительный эффект преднапряжения. Также в усилении железобетонных конструкций будет не лишним задействовать дополнительные страховочные приспособления. Удобнее всего монтировать распорки, образованные двумя уголками-швеллерами. Они связываются планками и крепятся по принципу опор натяжными болтами.
Укрепление стальными тяжами (обоймами)
Для усиления несущей способности стен, часто применяют стальную обойму. Чтобы создать такую конструкцию, вам понадобится арматура диаметром 12 мм, металлические полосы толщиной 10-12 мм и шириной 40-60 мм, металлические уголки.
По углам площади, которая будет усиливаться, вертикально монтируются металлические уголки, их фиксация выполняется при помощи раствора.
Между хомутами расстояние должно быть не больше 50 мм, а чтобы они лучше сцепились с раствором, уголки закрывают металлической сеткой. Чтобы защитить стальную обойму от коррозии, толщина цементного слоя должна быть в пределах 2-3 см.
Усиление нагретыми хомутами
Если колонны не испытывают больших расчетных нагрузок и не требуют капитального укрепления конструкции, то можно обойтись оптимизированной техникой устройства накладок из полосовой стали. Получаются своего рода обвязочные хомуты, которые монтируются по всей высоте ствола. В итоге экономится стройматериал с фурнитурой, а конструкция колонны остается нетронутой. Технологическая сложность такого решения заключается в предварительном нагреве металлических полос и корректном обжиме колонны. Теоретически хомуты могут использоваться в усилении ж/б колонн с круглым, прямоугольным и квадратным сечением. Но в каждом случае будет своя схема обжима, для которой подбирается и соответствующий способ захвата полос.
Заготовки для накладок нагревают в печном сооружении или горелкой примерно до 300 °С. Далее, используя специальный кондуктор или струбцины, необходимо плотно обжать хомутом ствол в ранее установленной зоне. Через некоторое время после обвязки хомут остынет, а металл в результате температурного сокращения еще плотнее прижмется к поверхности колонны. Опять же, в итоге получится не столько самостоятельный усиливающий каркас, сколько вспомогательное средство армирования.
Усиление металлических колонн
По сравнению с железобетонными стволами, полностью металлические конструкции исключают возможность монолитного наращивания структуры путем устройства каркаса или бетонной кладки. Поэтому чаще вводятся оттяжки, затяжки, распорки и преднапряженные устройства. Весьма практичным и функциональным считается вариант усиления стальной колонны путем расширения или упрочнения конструкционного башмака, примыкающего к перекрытию или фундаментной основы. На нижнем ярусе как раз допускается возможность создания бетонной стяжки, которая повысит вертикальную стабильность колонны.
Небольшие конструкции стволов рекомендуется усиливать посредством предварительно напряженных элементов. В этом качестве применяют инвентарные и телескопические шпренгели с жесткими распорками, параметры которых можно менять в зависимости от текущей нагрузки. К слову, подобное усиление ЖБ-колонн будет затруднено из-за недостаточной структурной жесткости, но металлические стволы позволяют использовать средства поддомкрачивания. То есть пользователь может менять высоту и положение конструкции, расклинивая и соединяя ее с хомутами.
В опорных участках для дополнительной страховки выполняют щели и пазовые выемки, а также монтируют ограничительные временные пластины с круговыми прорезями для армирования. После этого устанавливается арматурный прут, а приопорная зона бетонируется. Когда залитая стяжка наберет достаточно прочности, стержень арматуры напрягается анкерными метизами и болтами – их можно встраивать в отверстия со стороны нижних граней. Получается капитальный способ конструкционного усиления колонн, который используется только при технической возможности переустройства прилегающей площадки.
Усиление сжатых колонн
Внецентренно сжатые стволы укрепляются за счет комбинации технических средств, среди которых армирующие бандажи, профильные металлические уголки и поперечные планки. Комплексное усиление позволяет в данном случае обеспечить стесненное деформирование и взаимную работу элементов обвязки с перекрытиями. То есть моменты нагрузки не перераспределяются, а напрямую перекладываются с верхней бетонной конструкции на нижнюю.
Основу усиливающей системы формируют несколько поперечных бандажей, которые перемежаются с одиночными армирующими вставками из стали или углепластика. Но если усиление колонны железобетонной обоймой производится с добавкой песчано-цементного раствора, то бандаж с накладками рассчитывается только на метизные крепежи. В частности, тот же бетон заменяется анкеровкой продольными элементами через перекрытия. Главная сложность монтажа такой системы сводится к необходимости выдержки осевой симметрии при установке продольных элементов захвата и крепления.
Создание железобетонного пояса
Этот метод усиления стен отличается небольшими затратами и на его монтаж надо минимум времени. Толщина железобетонной обоймы составляет от 4 до 12 см, для ее создания используется мелкозернистый бетон, арматура, укладываемая в продольном и поперечном направлении.
К стене крепление железобетонной обоймы проводится при помощи фиксаторов, устанавливают ее по периметру здания и таким образом создают арматурную сетку.
Для укрепления стены, созданная железобетонная оболочка должна превышать ее прочность в несколько раз. После установки, железобетонная оболочка берет на себя часть нагрузки, создаваемой на стену, таким образом, она разгружается и прекращается ее повреждение.
Если необходимо сделать обойму толщиной до 40 мм, то она выполняется методом пневмобетонирования и торкретирования, после чего поверхность покрывают штукатуркой.
Если же слой обоймы толщиной до 120 мм, то ее делают при помощи инвентарной опалубки, она устанавливается вокруг ремонтируемой стены на всю ее высоту.
После создания опалубки, в нее вставляют специальные трубки, через которые подают бетонную смесь, имеющую мелкозернистую структуру.
