Способы усиления несущей способности зданий и сооружений

Необходимость в усилении здания и сооружения в целом вызвана, как правило, результатом землетрясений и других стихийных воздействий или значительных изменений в основании, проявившихся в виде осадок, трещин и других деформаций на земной поверхности.
Классификация способов усиления несущей способности конструкций и элементов. Способы усиления несущей способности конструкций можно разделить на три группы. Первая — возведение новых заменяющих или разгружающих конструкций; вторая — восстановление конструкций, несущая способность которых снизилась в процессе эксплуатации; третья — повышение несущей способности конструкций, находящихся в эксплуатации, имея в виду передачу на них дополнительных нагрузок. Первая группа предусматривает либо полную замену конструкций новыми, либо частичную замену с использованием способов усиления (восстановления), разработанных для второй и третьей групп. Вторая группа включает в себя устранение повреждений, не внося изменений в схему работы конструкции. К третьей группе относится усиление конструкций либо способами, которые не вносят принципиальных изменений в работу конструкций, в том числе используемых и для второй группы, либо введением дополнительных элементов, которые в корне изменяют схему работы конструкции (промежуточные опоры, связи и т.п.).
При выборе способа усиления необходимо учитывать: минимальные сроки остановки действующего производства или эксплуатаций зданий: суммарную продолжительность работ, включая возможность передачи на усиленные конструкции рабочей нагрузки; минимальную трудоемкость работ и квалификацию рабочей силы; технологичность работ по усилению с учетом требований производства (ограничения по запыленности, сварке и др.) и техники безопасности; максимальное использование имеющихся в наличии материалов, изделий, механизмов; экономию средств и основных материальных ресурсов (стали, цемента и др.); надежность и долговечность решений по усилению с учетом условий объекта и среды: агрессивности, пожароопасности, сейсмоопасности.
Выбор способов усиления. Усиление конструкций первой группы способов, имея в виду их полное разгружение, целесообразно применять при разгрузке небольших участков конструкций, например перекрытий, или при значительной потере конструкцией несущей способности, которую практически нельзя восстановить, так как по технологическим соображениям не допускается уменьшение габаритов производственных помещений.
Существующие конструкции заменяются новыми, воспринимающими на себя всю полезную нагрузку в тех случаях, когда несущая способность существующих конструкций составляет менее 50% или когда несущие конструкции подверглись коррозии (бетона, стали), и дальнейший процесс приостановить невозможно. Частичное разгружение элементов конструкций, например, при разгрузке плит перекрытий второстепенных балок, главных балок, ригелей, подкрановых балок и т.п. применяется в случае, когда с разгружаемой конструкции необходимо снять только часть полезной нагрузки. Характерной особенностью этих конструкций является обеспечение совместной их работы и восприятие нагрузок конструкциями как разгружаемой, так и разгружающей пропорционально их жесткостям.
Как правило, к первой группе усиления принадлежат изгибаемые элементы. Способы усиления первой группы, например при постановке промежуточных жестких и упругих опор, зачастую приводят к изменению расчетной схемы конструкции и требуют проверки расчетом.
Ко второй группе усиления могут быть отнесены способы усиления, вызванные необходимостью восстановления сооружения или конструкции, в связи с их отказом в период эксплуатации (потеря устойчивости отдельных его элементов, появление трещин, повышение деформативности) или необходимостью продления срока эксплуатации сооружения, например при коррозии отдельных элементов. Область применения второй группы способов усиления охватывает элементы конструкций, выполненные из различных материалов (железобетон, сталь, камень, дерево), а также фундаменты и основания под зданиями и сооружениями.
Третья группа способов усиления связана с необходимостью увеличения несущей способности конструкций в связи с возрастанием на них технологических нагрузок или необходимостью усиления сооружения в целом. При этом особое внимание уделяется обеспечению пространственной работы всего здания или сооружения, надежной связи между элементами здания и повышенной несущей способностью самих элементов, что и определяет область их применения.
Оценка необходимой степени усиления (восстановления) зданий и сооружений. В последнее время, особенно применительно к ликвидации последствий землетрясений, выдвинуты различные предложения, направленные на определение минимального уровня затрат на усиление зданий и сооружений при обеспечении достаточной их надежности. В работах Л.В. Канторовича, В.И. Кейлис-Борока, И.Л. Нерсесова, Я.М. Айзенберга, В.А. Ржевского, А.И. Мартемьянова, А.И. Неймана и других в качестве основного критерия был принят уровень минимизации целевой функции полных затрат на антисейсмическое усиление и восстановление поврежденных зданий. Появились и другие предложения, в частности, по величине остаточных деформаций и их взаимосвязи с относительными затратами на ремонтно-восстановительные работы.
Решение о целесообразности восстановления объектов может быть принято на основе аналитической оценки и технического состояния деформированного объекта с учетом фактического состояния конструкций, срока службы и соответствия объекта действующим нормативным документам, в том числе в части размещения современных технологических линий, для которых предназначен объект; обоснования экономической целесообразности проведения ремонтно-восстановительных работ.
Все части зданий с конструкциями, для которых характерна потеря устойчивости, т.е. остаточные деформации в них представляют опасность, и они, как правило, не могут быть использованы для эксплуатации, подлежат частичной или полной разборке или сносу. К числу таких остаточных деформаций относятся: полное смещение перекрытия с одной из опорных площадок при опирании по трем или четырем сторонам; отклонение вертикальных несущих конструкций более чем на 1/6 ширины элементов; значительные перекосы всего сооружения.

В случае сноса необходимо установление порядка и способа разборки поврежденных конструкций и частей зданий, а при необходимости и отключение от здания инженерных сетей. Решая вопрос о сносе, необходимо учитывать опасность дальнейшего распространения разрушений, в том числе при афтершоках, а также возможность повреждения соседних зданий и загромождения проездов и дорог.
При оценке экономической целесообразности дальнейшего использования поврежденных зданий для примера может быть рекомендована последовательность, представленная на схеме (рис. 3.1). Эта схема предусматривает:
- определение целесообразности сохранения поврежденного здания. В частности, можно принять, что если остаточная стоимость объекта без учета затрат на его возможную разборку (ξ), составляет менее 50% затрат на восстановление здания (Xо), то его целесообразно снести. Решение о сносе должно приниматься с учетом месторасположения объекта, его отдаленности от баз строительной индустрии и жизненной необходимости (ξ≥1); соответствия объемно-планировочного решения здания современным технологическим (функциональным) процессам, для которых оно предназначено (η≤1). Значения коэффициентов ξ и η для районов возможных землетрясений могут назначаться заблаговременно;
- в случае если объект целесообразно сохранить, определяется необходимая степень его усиления. Располагая величиной затрат на восстановление здания до первоначального состояния X0, следует сопоставить ее с размером оптимальных затрат на усиление здания сверх первоначального состояния X, которая при положительном ее значении может определяться по формуле

При отрицательном значении величина X принимается равной нулю.
Сопоставляя эти данные, можно принять, что достаточно ограничиться восстановлением объекта до первоначального состояния, если дополнительные затраты на усиление превышают затраты на восстановление. Объект подлежит усилению до стадии, соответствующей последним требованиям норм или условиям реконструкции, т.е. выше уровня, предусмотренного первоначальным проектом, если дополнительные затраты на усиление меньше затрат на его восстановление до первоначального состояния.