УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСИЛЕНИЯ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ
DEVICE FOR REINFORCING LOAD-BEARING STRUCTURES

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для усиления несущих конструкций колонн, простенков и кирпичных столбов по всей их длине или на отдельных участках.
Известно усиление колонн с помощью металлической обоймы, содержащей продольные уголки, соединенные между собой предварительно напряженными поперечными планками из арматурной стали, при этом для осуществления усиления продольные уголки устанавливают на колонну на растворе и временно прижимают к колонне струбцинами, один конец поперечных планок приваривают к продольным уголкам, а второй конец предварительно напрягают, затягивая гайки на уголке-упоре (Мальганов А.И., Плевков B.C., Полищук А.И. Восстановление и усиление ограждающих строительных конструкций зданий и сооружений. Атлас схем и чертежей. Томск. Томский межотраслевой ЦНТИ, 1990, 315 с. [схема установки предварительно напряженных планок на листе 191]).
Недостатками известного устройства являются высокая металлоемкость и наличие выступающих за обойму частей - уголков-упоров.
Известно также усиление колонн с помощью металлической обоймы, содержащей продольные уголки, соединенные между собой поперечными планками с возможностью обжатия, при этом для осуществления усиления продольные уголки устанавливают на колонну на растворе и временно прижимают к колонне струбцинами, а поперечные планки приваривают к продольным уголкам разогретыми до температуры 200-250°С (Мальганов А.И., Плевков B.C., Полищук А.И. Восстановление и усиление ограждающих строительных конструкций зданий и сооружений. Атлас схем и чертежей. Томск. Томский межотраслевой ЦНТИ, 1990, 315 с. [схема установки предварительно напряженных хомутов на листе 106]).
Недостатками известного устройства являются: во-первых, возможность локального перегрева бетона в местах разогрева поперечных планок; во-вторых, потребность в наличии дорогостоящего оборудования для осуществления контроля температуры при разогреве поперечных планок.
В качестве прототипа принято устройство, используемое в известном способе создания предварительного напряжения в поперечных планках обоймы усиления, при этом для осуществления усиления продольные уголки устанавливают на колонну на растворе и временно прижимают к колонне струбцинами, приваривают к продольным уголкам поперечные планки, после этого поперечные планки предварительно напрягают с помощью металлических клиньев, забиваемых между колонной и поперечной планкой в средней части пролета (Мальганов А.И., Плевков B.C., Полищук А.И. Восстановление и усиление ограждающих строительных конструкций зданий и сооружений. Атлас схем и чертежей. Томск. Томский межотраслевой ЦНТИ, 1990, 315 с. [схема установки предварительно напряженных хомутов на листе 191]).
Недостатками прототипа являются:
- во-первых, отсутствие возможности контроля предварительного напряжения в поперечных планках обоймы и в бетоне в месте контакта с клином;
- во-вторых, возможность повреждения поперечных планок обоймы и бетона под клиньями при их забивке;
- в-третьих, ограниченная область применения, в частности, в усиливаемых конструкциях, которые не могут подвергаться динамическим воздействиям из-за опасности выпадения клиньев;
- в-четвертых, отсутствие надежного крепления стальной обоймы к телу усиливаемого элемента;
- в-пятых, высокая трудоемкость из-за необходимости сборки, разборки и переноски инвентарных струбцин, необходимых для временного подкрепления элементов усиления.
Задачей изобретения является повышение эффективности устройства для усиления несущих конструкций путем:
- создания предварительного напряжения, обеспечивающего распределение усилия на большие площади с возможностью контролирования усилия напряжения в поперечных планках и в бетоне под планкой, а также с возможностью сохранения целостности поперечных планок обоймы и бетона, находящегося под ними;
- расширения сферы использования, в том числе в конструкциях, которые могут подвергаться динамическим воздействиям;
- создания надежного крепления стальной обоймы к телу усиливаемой конструкции и обеспечения совместной работы;
- уменьшения трудоемкости монтажа элементов усиления.
Для решения поставленной задачи предложено устройство для усиления несущих конструкций, включающее установленный на несущую конструкцию элемент усиления, выполненный в виде металлической обоймы, охватывающей усиливаемую несущую конструкцию с возможностью ее обжатия и состоящей из вертикальных элементов уголкового профиля, соединенных между собой предварительно напряженными поперечными планками. Новым является то, что предварительно напряженные поперечные планки обоймы, обеспечивающие обжатие усиливаемой несущей конструкции, стянуты во взаимно перпендикулярных направлениях посредством тяжей, установленных в теле усиливаемой несущей конструкции, при этом ряды предварительно напряженных поперечных планок, находящихся на смежных гранях, смещены по отношению друг к другу на половину шага их расположения.
Согласно изобретению тяжи, стягивающие поперечные планки с противоположных граней усиливаемой несущей конструкции и образующие болтовые соединения, обеспечивающие предварительное напряжение противоположных поперечных планок, пропущены через сквозные отверстия в теле усиливаемой несущей конструкции.
Согласно изобретению тяжи, обеспечивающие предварительное напряжение поперечных планок, выполнены в виде несквозных анкеров, закрепленных в теле усиливаемой несущей конструкции.
Согласно изобретению между вертикальными элементами уголкового профиля металлической обоймы и усиливаемой несущей конструкцией расположен слой мелкозернистой бетонной смеси.
Согласно изобретению в качестве бетонной смеси могут быть использованы либо безусадочная мелкозернистая бетонная смесь, либо самонапрягаемый мелкозернистый бетон, либо мелкозернистый фибробетон.
Согласно изобретению между элементами металлической обоймы и усиливаемой несущей конструкцией расположен слой упругого материала.
Согласно изобретению слой упругого материала выполнен из подлежащих утилизации резинотехнических изделий типа старых колесных камер и/или автопокрышек.
Согласно изобретению поперечные планки металлической обоймы также могут быть выполнены из профилей металлопроката в виде уголков или швеллеров.
Согласно изобретению поперечные планки обоймы, приваренные с наружной стороны вертикальных уголков обоймы и напрягаемые при расчетном усилии затягивания тяжей, могут быть упруго деформированы в середине своего пролета и прижаты к телу усиливаемой несущей конструкции, обеспечивая дополнительное ее обжатие в месте контакта поперечной планки с усиливаемой несущей конструкцией.
Согласно изобретению между напрягаемыми поперечными планками, приваренными с наружной стороны вертикальных уголков обоймы, и усиливаемой несущей конструкцией, в месте присоединения тяжей, могут быть расположены ограничители деформирования в виде пластин с отверстием толщиной, равной или меньшей толщине полок вертикальных уголков обоймы, обеспечивающие обжатие усиливаемой несущей конструкции при расчетном усилии затягивания тяжей, но при этом не позволяющие поперечным планкам выходить за пределы упругого деформирования в середине своего пролета, а также увеличивающие пятно контакта поперечной планки с усиливаемой несущей конструкцией.
Согласно изобретению между поперечными планками и гайками тяжей могут быть расположены распределительные шайбы и/или пластины с отверстиями, обеспечивающие снижение местных напряжений в поперечных планках при затягивании гаек тяжей.
Согласно изобретению между гайками тяжей и поперечными планками обоймы могут быть расположены дополнительные стальные вертикальные пластины или профили металлопроката с отверстиями под тяжи, объединяющие поперечные планки по высоте усиливаемой несущей конструкции, а также равномерно перераспределяющие нагрузку от гаек на поперечные планки и воспринимающие часть вертикальной нагрузки.
Согласно изобретению поперечные планки обоймы установлены равномерно по высоте по всем граням с одинаковым шагом и в одном уровне, при этом тяжи, скрепляющие поперечные планки с противоположных граней, расположены через ряд поперечных планок, а тяжи, установленные в смежных гранях, смещены на шаг поперечных планок.
Согласно изобретению при усилении несущих конструкций, испытывающих воздействие изгибающего момента в одной плоскости, тяжи, скрепляющие поперечные планки с противоположных граней, установлены только в плоскости действия изгибающего момента.
Согласно изобретению при усилении несущих конструкций, испытывающих воздействие изгибающих моментов в разных плоскостях, когда значение одного из моментов значительно превышает значение другого, тяжи, скрепляющие поперечные планки с противоположных граней, установлены только в плоскости действия наибольшего изгибающего момента.
На фиг. 1 схематично изображено устройство для усиления несущих конструкций с деформированными поперечными планками обоймы, общий вид;
на фиг. 2 схематично изображено устройство для усиления несущих конструкций с деформированными поперечными планками и с распределительными пластинами, общий вид;
на фиг. 3 схематично изображено устройство для усиления несущих конструкций, вид спереди;
на фиг. 4 схематично изображено устройство для усиления несущих конструкций, вид сбоку;
на фиг. 5 - сечение 1-1 на фиг. 3 (вариант с недеформированными поперечными планками);
на фиг. 6 - сечение 2-2 на фиг. 3 (вариант с недеформированными поперечными планками);
на фиг. 7 - сечение 1-1 на фиг. 3 (вариант с деформированными поперечными планками);
на фиг. 8 - сечение 2-2 на фиг. 3 (вариант с деформированными поперечными планками);
на фиг. 9 - узел А на фиг. 8 (вариант с деформированными поперечными планками);
на фиг. 10 схематично изображено устройство для усиления несущих конструкций с дополнительно закрепленными к поперечным планкам стальной обоймы по всей высоте уголковыми профилями;
на фиг. 11 схематично изображено устройство для усиления несущих конструкций с дополнительно закрепленными к поперечным планкам стальной обоймы по всей высоте швеллерами.
Устройство для усиления несущих конструкций содержит установленный на усиливаемую несущую конструкцию, например колонну 1, элемент усиления, связанный с усиливаемой конструкцией для обеспечения совместной работы. Элемент усиления выполнен в виде металлической обоймы 2, охватывающей несущую конструкцию и состоящей из вертикальных элементов уголкового профиля 3, соединенных между собой поперечными планками 4 (фиг. 1). Для обеспечения совместной работы усиливаемой несущей конструкции и металлической обоймы поперечные планки, устроенные смещенными на половину шага по смежным граням, стянуты во взаимно перпендикулярных направлениях тяжами 5, а пространство между внутренними гранями полок вертикальных элементов и подготовленной контактирующей поверхностью усиливаемого несущего элемента 1 в пределах защитного слоя продольной арматуры усиливаемого несущего элемента 1 заполнено мелкозернистым бетоном, связывающим контактирующие поверхности.
Между гайками тяжей 5 и поперечными планками 4 для обеспечения снижения местных напряжений в поперечных планках при затягивании гаек тяжей могут быть устроены распределительные шайбы 6 (фиг. 2). Между усиливаемой несущей конструкцией 1 и поперечными планками 4, обжимаемыми тяжами 5, могут быть устроены ограничители 7 деформирования поперечных планок (фиг. 9).
Между гайками тяжей 5 и поперечными планками 4 могут быть устроены дополнительные вертикальные профили металлопроката из прокатных уголков 8 или швеллеров 9, закрепляемые к поперечным планкам в середине их пролета посредством тяжей 5 и способствующие равномерному перераспределению нагрузки от гаек на поперечные планки, а также воспринимающие часть вертикальной нагрузки (фиг. 10, фиг. 11).
Для обеспечения более надежного контакта металлической обоймы и усиливаемой несущей конструкции возможны также следующие конструктивные особенности и приемы.
Контактирующие поверхности вертикальных элементов уголкового профиля металлической обоймы и усиливаемой несущей колонны 1 могут быть выполнены с возможностью увеличения коэффициента трения. При этом поверхности усиливаемой колонны 1 для обеспечения шероховатости по пятну контакта с вертикальными элементами обоймы обжатия могут быть снабжены насечками, а внутренние поверхности вертикальных элементов 3 соответственно обработаны, например подвергнуты пескоструйной обработке.
Между вертикальными элементами уголкового профиля металлической обоймы и усиливаемой конструкцией может быть расположен слой упругого материала (условно не показано).
Зазор между внутренними гранями полок вертикальных элементов обоймы обжатия и усиливаемой несущей конструкцией может быть заполнен мелкозернистой бетонной смесью, например безусадочной мелкозернистой бетонной смесью, самонапрягаемым мелкозернистым бетоном или мелкозернистым фибробетоном.
При этом одним из возможных приемов для обеспечения совместной работы может быть сверление отверстий в теле усиливаемой несущей конструкции под тяжи, обеспечивающие либо болтовое соединение, либо соединение с помощью анкера, затем нанесение на усиливаемую колонну в местах установки вертикальных уголков слоя мелкозернистой бетонной смеси, установку вертикальных уголков металлической обоймы в проектное положение с последующим временным незначительным прижатием их к усиливаемой несущей колонне с помощью устанавливаемых тяжей, соединяющих поперечные планки (без приварки к вертикальным уголкам), распределительные шайбы и ограничители деформирования с противоположных граней усиливаемой колонны. Далее осуществляется приварка поперечных планок к вертикальным уголкам и последовательное, равномерное от середины высоты участка усиливаемой колонны к верху и к низу затягивание гаек тяжей до расчетного момента динамометрическим ключом с выжиманием излишек бетонной смеси.
Технический результат, достигаемый предложенным устройством для усиления несущих конструкций, заключается в упрощении контроля усилия предварительного напряжения, в снижении возможности повреждения элементов конструкции усиления и усиливаемой несущей конструкции в момент создания предварительного напряжения, в расширении сферы использования, в том числе в конструкциях, которые могут подвергаться динамическим воздействиям, в повышении надежности крепления конструкции усиления к телу усиливаемой несущей конструкции, в уменьшении трудоемкости монтажа элементов конструкции усиления за счет отсутствия необходимости сборки/разборки и перемещения струбцин.
При этом преимущества заявляемого устройства для усиления несущих конструкций, обеспечивающие максимальный технический результат, обусловлены использованием в качестве элемента усиления металлической обоймы, охватывающей усиливаемую несущую конструкцию с возможностью совместной работы за счет распределенного по длине защемления, которое обеспечивается установкой двух перпендикулярных рядов сквозных тяжей, скрепляющих поперечные планки, находящиеся с противоположных сторон усиливаемой несущей конструкции.