Колонны. 
Усиление колонн, балок и балочных конструкций

Колонна — это одна из несущих конструкций здания, которая воспринимает на себя нагрузки от поперечных элементов сооружения, таких как балки, перекрытия, ригели и т. д. От состояния колонн и их способности справляться со своими функциями зависит устойчивость всего здания. Так как любой строительный объект подвержен износу, деформации или разрушению, иногда колонны нуждаются в усилении. Чаще всего причинами подобной необходимости становятся:

• * Видимые дефекты колонн — трещины, крены, разного рода деформации, которые могут появляться вследствие природных факторов и механического воздействия на колонны;
• * При необходимости повысить сейсмическую устойчивость здания;
• * При надстройке новых этажей (то есть при необходимости повысить несущую способность здания);
• * При реконструкции или капитальном ремонте сооружения.

Традиционные методы усиления колонн Традиционно, чтобы усилить колонны, используются дополнительные элементы: обоймы (железобетонные или стальные), двусторонние или односторонние распорки, разгружающие элементы (стойки или опоры), а также предварительно напряжённые конструкции — пояса и хомуты.

Использование всех этих элементов обладает несколькими значимыми недостатками: их объём значительно влияет на внутреннюю геометрию здания, вес существенно утяжеляет конструкцию, а сами работы являются весьма дорогостоящими, так как требуют расширенной бригады специалистов и дополнительного оборудования.

Инновационный метод усиления колонн Прогрессивные строительные компании проводят усиление колонн инновационными методами — с помощью углеволокна. Этот композитный материал обладает множеством преимуществ перед своими устаревшими «конкурентами»:

• * Пластины углеволокна в толщину составляют всего несколько миллиметров, благодаря чему внутренние размеры помещения остаются практически неизменными;
• * Углеволокно настолько лёгкое, что не дает никакой дополнительной нагрузки на строительную конструкцию;
• * Прочность углепластика на растяжение не менее чем в 6 раз выше по сравнению с классической железобетонной арматурой — а это значит, что данный материал способен справляться с невероятными нагрузками;
• * Углеволокно легко и быстро монтируется, не требуя дополнительного оборудования и расширенного состава рабочих;
• * Углепластик обладает высочайшей коррозийной стойкостью;
• * Консервация объекта во время усиления колонн углеволокном не требуется.

Суть метода заключается в том, что перпендикулярно к оси колонны наклеиваются волокна углепластика, благодаря чему поперечное деформирование элемента ограничивается. Кроме того, колонны, усиленные данным композитом, будут хорошо воспринимать не только центральную нагрузку, но и изгибающий момент. Чтобы добиться этого, необходимо наклеить платины углепластика вдоль плоскости действия момента.

Одним из наиболее эффективных способов усиления железобетонных колонн является устройство железобетонных или металлических обойм. Усиление обоймами особенно рационально для колонн с небольшой гибкостью.

В изгибаемых элементах обоймы рекомендуются в исключительных случаях (например, при значительной коррозии арматуры), так как усиление по всему периметру изгибаемого элемента нерационально с конструктивной точки зрения и требует значительных трудозатрат при производстве работ.

Наиболее простым типом железобетонных обойм являются обоймы с обычной продольной и поперечной арматурой без связи арматуры обоймы с арматурой усиливаемой колонны (рис. 1).

При таком способе усиления важно обеспечить совместную работу «старого» и «нового» бетона, что достигается тщательной очисткой поверхности бетона усиливаемой конструкции пескоструйным аппаратом, насечкой или обработкой металлическими щетками, а также промывкой под давлением непосредственно перед бетонированием. Для улучшения адгезии и защиты бетона и арматуры в агрессивных условиях эксплуатации рекомендуется применение полимербетонов.

Толщина обоймы колонн определяется расчетом и конструктивными требованиями (диаметром продольной и поперечной арматуры, величиной защитного слоя и т. п.).

Как правило, она не превышает 300 мм.

Площадь рабочей продольной арматуры также определяют расчетом, ее диаметр принимают не менее 16 мм для стержней, работающих на сжатие, и 12 мм для стержней, работающих на растяжение.

Поперечную арматуру диаметром не менее 6 мм для вязаных каркасов и 8 мм для сварных устанавливают с шагом 15 диаметров продольной арматуры и не более трехкратной толщины обоймы, но не более 200 мм. В местах концентрации напряжений шаг хомутов уменьшается.

При местном усилении обойму продлевают за пределы поврежденного участка на длину не менее пяти ее толщин и не менее длины анкеровки арматуры, а также не менее двух ширин большей грани колонны, но не менее 400 мм.

При местном усилении для улучшения сцепления «нового» и «старого» бетона рекомендуется выполнять адгезионную обмазку из полимерных материалов.

Поперечная арматура железобетонной обоймы может быть выполнена в виде спиральной обмотки (рис. 2) из проволоки диаметром не менее 6 мм.

При этом спирали в плане должны быть круглыми и охватывать всю рабочую продольную арматуру.

Расстояние между ветвями спирали должно быть не менее 40 мм и не более 100 мм, оно не должно также превышать 0,2 диаметра сечения ядра обоймы, охваченного спиралью.

Более эффективны (но и более трудоемки) железобетонные обоймы, в которых обеспечивается связь существующей и дополнительной арматуры. Такие обоймы рекомендуются при сильном повреждении существующей арматуры или защитного слоя бетона.

В этом случае арматуру усиливаемой конструкции тщательно очищают до чистого металла, разрушенные хомуты восстанавливают путем пробивки в бетоне поперечных борозд, установки в них новых хомутов и соединения их с продольной арматурой.

Рис. 4 Усиление колонны обоймой со спиральной арматурой: 1 — усиливаемая колонна 2 — обойма 3 — спиральная арматура

Рис. 5 Усиление колонны металлическими обоймами: 1 — усиливаемая колонна 2 — ветви обоймы 3 — планки обоймы 4 — опорный уголок

Дополнительную продольную арматуру приваривают у шествующей с помощью соединительных коротышей, которые во избежание пережогов выполняют из арматуры класса A-I диаметром 10−16 мм и располагают на расстоянии друг от друга не менее 20 диаметров продольной арматуры в шахматном порядке.

При невозможности выполнения замкнутой обоймы, например при примыкании колонны к стене, рекомендуется устройство «рубашек» — незамкнутых с одной стороны обетонок.

При этом способе усиления необходимо обеспечить надежную анкеровку поперечной арматуры по концам поперечного сечения «рубашек».

В колоннах это осуществляется путем приварки хомутов к арматуре колонн.

При усилении «рубашками» локальных поврежденных участков, как и при усилении обоймами, их необходимо продлить на неповрежденные части конструкции на длину не менее 500 мм, а также не менее длины анкеровки продольной арматуры, не менее ширины грани элемента или его диаметра и не менее пяти толщин стенки «рубашки».

По конструктивным соображениям диаметр продольной и поперечной арматуры «рубашек» принимают не менее 8 мм, при вязаных каркасах минимальный диаметр хомутов — 6 мм.

При невозможности увеличения сечения колонн и сжатых сроках производства работ по усилению рекомендуются металлические обоймы из уголков, устанавливаемых по граням колонн, и соединительных планок между ними (рис. 4).

Эффективность включения металлической обоймы в работу колонны зависит от плотности прилегания уголков к телу колонны и от предварительного напряжения поперечных планок.

Для плотного прилегания уголков поверхность бетона по граням колонн тщательно выравнивается скалыванием неровностей и зачеканкой цементным раствором.

Предварительное напряжение соединительных планок осуществляется термическим способом. Для этого планки приваривают одной стороной к уголкам обоймы, затем разогревают газовой горелкой до 100−120°С и в разогретом состоянии приваривают второй конец планок.

Замыкание планок осуществляют симметрично от среднего по высоте колонны пояса.

При остывании планок происходит обжатие поперечных сечений колонны, что существенно повышает ее несущую способность.

Эффективным средством усиления нагруженных колонн является устройство предварительно напряженных металлических распорок.

Одноили двусторонние распорки представляют собой металлические обоймы с предварительно напряженными стойками, расположенными с одной или двух сторон колонн (рис. 5).

Первые применяют для увеличения несущей способности внецентренно сжатых колонн с большими и малыми эксцентриситетами, вторые — для центрально и внецентренно сжатых колонн с двузначной эпюрой моментов.

Предварительно напряженные односторонние распорки состоят из двух уголков, соединенных между собой металлическими планками. В верхней и нижней зонах распорок приваривают специальные планки толщиной не менее 15 мм, которые передают нагрузку на упорные уголки и имеют площадь поперечного сечения, равную сечению распорок.

Рис. 6 Усиление колонны предварительно напряженными двусторонними металлическими распорками: а — в период монтажа б — в напряженном состоянии; 1 — крепежный монтажный болт 2 — натяжной монтажный болт 3 — усиливаемая колонна 4 — уголки распорок 5 — упорные уголки 6 — планка для натяжения болтов в месте перегиба 7 — планки-упоры 8 — соединительные планки

Планки устанавливают таким образом, чтобы они выступали за торцы уголков распорок на 100−120 мм, и снабжают двумя отверстиями для стяжных болтов.

Упорные уголки должны быть установлены таким образом, чтобы их внутренние грани совпадали с наружной гранью колонн.

Для этого защитный слой бетона в верхней и нижней зонах колонны скалывают и устанавливают упорные уголки на цементном растворе строго горизонтально.

До установки распорок в проектное положение в боковых полках уголков в середине их высоты выполняется вырез и осуществляется их незначительный перегиб.

Ослабление поперечного сечения уголков в месте выреза компенсируется приваркой дополнительных планок, в которых предусмотрены отверстия для стяжных болтов.

Предварительное напряжение распорок создается путем придания им вертикального положения за счет закручивания гаек натяжных болтов. При этом необходимо обеспечить плотное прилегание уголков к телу колонны, а также их совместную работу, объединив распорки с помощью приварки к ним металлических планок.

Шаг планок принимают равным минимальному размеру сечения колонны. После приварки планок стяжные монтажные болты снимают, а ослабленные сечения распорок усиливают дополнительными металлическими накладками.

Для эффективного включения распорок в работу достаточно создать в них предварительное напряжение порядка 40−70 МПа, что обеспечивается за счет расчетного удлинения при выпрямлении уголков.

При увеличении нагрузки на консоли колонн их усиливают предварительно напряженными горизонтальными или наклонными тяжами (рис. 5).

Рис. 7 Усиления консолей предварительно напряженными тяжами: 1 — усиливаемая консоль 2 — опорные элементы 3 — упоры из уголков 4 — предварительно напряженные тяжи 5 — анкеры 6 — упоры из швеллеров

Предварительное напряжение создается завинчиванием гаек или взаимным стягиванием хомутов. Применяют также разгрузку консолей с помощью дополнительных металлических кронштейнов (рис. 6) или специальных опор в виде швеллеров (уголков), которые крепят к колонне с помощью предварительно напряженных тяжей (&?sp = 40−50 МПа).

Рис. 8 Усиление опирания балок: а — при короткой консоли б — при длинной консоли; 1 — хомут вокруг колонны 2 — колонна 3 — тяжи 4 — подклинка 5 — подставка из отрезка двутавра 6 — подвесная балка из швеллерор 7 —гайка тяжей 8 — упорный уголок 9 — ригель 10 — уголковая поперечная подпорка 11 — горизонтальные упоры из уголков12 — вертикальные крепежные болты

Железобетонные сжатые элементы, усиленные обоймами, «рубашками» и наращиванием рассчитывают как монолитные.

При этом учет влияния продольного изгиба на несущую способность рекомендуется осуществлять путем расчета конструкции по деформированной схеме.

Изложенная ниже методика расчета правомочна в том случае, если элементы усиления плотно примыкают к опорным частям конструкций и обеспечена анкеровка арматуры в бетоне согласно требованиям СНиП.