Способ усиления железобетонной колонны после техногенных воздействий
METHOD FOR STRENGTHENING REINFORCED CONCRETE COLUMN AFTER MAN-MADE IMPACTS

Изобретение относится к строительству, а именно к усилениям строительных конструкций, и может быть использовано для усиления железобетонных колонн в процессе их эксплуатации, возведения, проектирования, а также после различных техногенных воздействий, например, пожара.
Известен «Способ усиления железобетонной колонны» по патенту на изобретение RU 2494204 С1 от 27.09.2013 г. Данный способ реализуется дополнительным внешним армированием по всей высоте колонны при помощи сварки после снятия бетона защитного слоя до продольной арматуры с последующей заделкой армирования полимерцементными ремонтными составами, нанесением грунтовочного и клеющего составов, углехолста и песка. Недостатком данного способа является необходимость использования дополнительных опорных элементов для обеспечения несущей способности строительной конструкции при уменьшении сечения колонны во время удаления защитного слоя бетона до продольной арматуры.
Известен «Способ установки узла усиления» по патенту на изобретение RU 2282701 С2 от 27.04.2004 г., применение которого позволяет усилить строительную конструкцию с помощью установки узла в виде накладной сборной из уголков и планок стальной обоймы на строительной конструкции посредством размещения обоймы на постели из бетона или раствора, создании требуемого зазора между поверхностями соприкосновения и последующего обжима обоймой зоны усиления стяжкой уголков и планок путем приварки их друг к другу. Недостатком данного способа является возможность его применения только для усиления опорных частей колонны с целью передачи нагрузки от опираемых на колонну строительных конструкций.
Известен «Способ усиления железобетонной колонны, утратившей несущую способность» по патенту на изобретение RU 2274719 С2 от 20.04.2006 г., заключающийся в обработке поверхности колонны насечкой и увлажнении поверхности, устройстве обойм и наращивании поперечного сечения с уменьшением эксцентриситета приложения продольной сжимающей силы посредством деформации стальной трубы и обжатии ее сечения с двух сторон валками, превращения цилиндрического сечения в овальное с отношением большей оси к меньшей, равным трем, разрезе трубы вдоль, заключении поврежденной железобетонной колонны внутрь стальной обоймы, герметичном соединении двух половинок овального сечения в единое целое и плотном заполнении полости между стальной обоймой и поврежденной железобетонной колонной расширяющимся мелкозернистым бетоном, нагнетании его через патрубки в полости снизу вверх, уплотнении бетона вибрированием и при схватывании бетона напряжении сечения обжимом его со всех сторон стальной опалубкой. Недостатком данного способа является его трудоемкость и материалоемкость, а также его применимость только для колонн круглого или овального сечения, что ограничивает использование данного способа для усиления колонн квадратного и прямоугольного сечения.
Наиболее близким аналогом, принятым в качестве прототипа, заявляемого способа является «Способ усиления железобетонной колонны» по патенту на изобретение RU 2339776 С1 от 27.11.2008 г. Реализация данного способа заключается в выполнении стальной обоймы из пластин и уголков и на верхней, и на нижней опорных частях колонны, при этом длина каждой из этих частей соответственно от верхнего или нижнего конца колонны составляет 1/3 длины колонны, наложении на каждую грань колонны при выполнении обоймы одной сплошной стальной пластины, а для плотного прижатия обоймы к телу колонны - использовании эпоксидного клея, согласно которому стальные пластины накладывают на грани колонны по ее периметру, уголки размещают на угловых поверхностях колонны, производят стяжку уголков и пластин путем приварки их друг к другу и обеспечивают плотное прижатие обоймы к телу колонны. При данном способе усиления стальная обойма конструируется, исходя из возможного разрушения железобетонной колонны после воздействия кратковременных динамических нагрузок, например, при землетрясении. Однако, усиление исключительно опорных верхних и нижних элементов колонны может оказаться не эффективным при различных техногенных воздействиях на строительную конструкцию в случае приложения не только продольных, но и поперечных нагрузок, не предусмотренных расчетом. Кроме этого, в случае возникновения температурных напряжений при пожаре, вызванных изменением физико-механических и упругопластических свойств конструкций, может меняться работоспособное сечение элемента, поэтому усиление только опорных элементов колонны не позволяет достичь заявленный в прототипе технический результат.Так, при проведении экспериментальных исследований сжатых элементов железобетонных конструкций при динамических нагружениях в условиях огневых воздействий было установлено следующее. В нормальных условиях максимальная растягивающая сила, которую выдерживает образец арматурной стали, равна 34,70 кН, а после воздействия температуры в 900°С данный показатель снижается до 30,1 кН, т.е. остаточная прочность арматурной стали после огневого воздействия составляет 86,0%. Прослеживается снижение статической прочности центрально сжатых железобетонных колонн при огневых воздействиях на 53,0%, а внецентренно сжатых железобетонных колонн - на 64,0%. Динамическая прочность центрально сжатых железобетонных колонн при огневых воздействиях снижается на 66,0%, а динамическая прочность внецентренно сжатых железобетонных колонн - на 83,2%. Следует также сказать о перерасходе строительных материалов при усилении железобетонных колонн сплошной обоймой из стальных пластин в соответствии с аналогом-прототипом.
Задача изобретения заключается в повышении надежности строительных конструкций и снижении расхода строительных материалов при усилении железобетонных колонн после различных техногенных воздействий, например, пожара.
Технический результат заключается в повышении несущей способности и предотвращении разрушения железобетонной колонны после различных техногенных воздействий (например, пожара) путем усиления по всей высоте конструкции стальной обоймой.
Указанный технический результат достигается следующий образом. Общими признаками прототипа и заявляемого способа является то, что усиление железобетонной колонны осуществляется путем выполнения стальной обоймы из пластин и уголков, стальные обоймы накладываются на грани колонны по ее периметру, уголки размещаются на угловых поверхностях колонны, производится стяжка уголков и пластин путем приварки их друг к другу, плотное прижатие обоймы к телу колонны выполняется с применением эпоксидного клея.
Отличительными признаками заявляемого способа являются:
1. использование для усиления предварительно соединенных сваркой с шагом, не превышающем ширину грани колонны, горизонтальных стальных пластин, выполненных шириной до 5 см и длиной, равной ширине грани колонны, с помощью приваренных под углом 45 градусов по диагонали стальных пластин шириной до  ширины горизонтальной стальной пластины и наложение на каждую грань колонны по всей высоте колонны;
2. использование накладываемых на поверхность стальных пластин стальных уголков с шириной грани уголка не менее ширины устанавливаемых по диагонали стальных пластин;
3. удаление излишек эпоксидного клея после прижатия обоймы к телу колонны;
4. размещение приваренных под углом 45 градусов стальных пластин поверх горизонтальных стальных пластин справа налево;
5. размещение приваренных под углом 45 градусов стальных пластин поверх горизонтальных стальных пластин с площадью соприкосновения не менее  ширины горизонтальной пластины;
6. монтирование и сварка накладываемых на поверхность стальных пластин стальных уголков по всей высоте колонны;
7. сварка стальных уголков и горизонтальных и приваренных под углом 45 градусов стальных пластин на всех участках соприкосновения пластин и уголков.
Совместное применение в заявляемом способе указанных отличительных признаков позволяет получить положительный эффект, который заключается в том, что предотвращается разрушение железобетонной колонны за счет повышения несущей способности после техногенных воздействий (например, пожара), а также снижается расход металла при усилении конструкции без ущерба качеству усиления за счет отказа от применения сплошных обойм и создании обоймы по всей высоте колонны. Проведенные экспериментальные исследования позволяют судить о повышении статической и динамической прочности центрально сжатых и внецентренно сжатых железобетонных колон после усиления данных конструкций разработанным авторами способом. Данный способ позволяет обеспечить надежность эксплуатации железобетонной колонны после воздействия как продольных, так и поперечных нагрузок, не предусмотренных расчетом при конструировании здания, а также после изменения напряженно-деформированного состояния колонны вследствие изменения физико-механических и упругопластических свойств бетона и арматуры колонны, возможного снижения работоспособного сечения элемента после воздействия пожара.
Изобретение пояснено чертежами.
На фигуре 1 представлена колонна, усиленная предложенным способом. На фигуре 2 представлена фронтальная проекция усиленной колонны. На фигуре 3 представлен разрез А-А на фигуре 2.
На фигурах 1, 2 и 3 используются следующие обозначения арабскими цифрами:
1 - железобетонная колонна;
2 - горизонтальные стальные пластины;
3 - стальные пластины, предназначенные для соединения горизонтальных пластин, и размещаемые по диагонали справа налево под углом 45 градусов;
4 - стальные уголки;
5 - анкеры.
На фигуре 3 арабской цифрой 6 дополнительно обозначены сварные швы для крепления стальных уголков к стальным пластинам и создания цельной стальной обоймы.
Поскольку усиление железобетонной колонны возможно осуществить неоднократно предложенным способом, данный способ является промышленно применимым.
Применение способа усиления железобетонной колонны после техногенных воздействий осуществляется следующим образом. Для создания обоймы колонны в соответствии с предлагаемым способом заблаговременно подготавливаются два вида стальных пластин (2, 3) толщиной 5 мм. Горизонтальные стальные пластины (2) подбираются шириной до 5 см таким образом, чтобы длина пластины (2) не превышала ширину грани колонны (1). Стальные пластины, предназначенные для соединения горизонтальных пластин, и размещаемые по диагонали справа налево под углом 45 градусов (3), подбираются шириной из расчета не более  ширины горизонтальной стальной пластины (2). Соединение пластин, размещаемых по диагонали (3), и горизонтальных пластин (2) осуществляется наложением пластины, размещаемой по диагонали (3), поверх горизонтальной пластины (2) с последующей сваркой таким образом, чтобы площадь соприкосновения двух пластин (2, 3) была не менее  ширины горизонтальной пластины (2), а шаг горизонтальной пластины (2) не превышал ширину грани усиливаемой колонны (1). Для закрепления стальных пластин (2, 3) на углах колонны (1) используются заблаговременно подобранные стальные уголки (4) с шириной грани уголка (4) не менее ширины устанавливаемых по диагонали стальных пластин (3). Перед началом работ по усилению колонны (1) поверхность колонны (1) зачищается от пыли, грязи, различных масел и примесей. После зачистки поверхность колонны (1) промывается и высушивается. Конструкции из заблаговременно соединенных стальных пластин (2, 3) по периметру сечения колонны (1) плотно устанавливаются на каждую грань колонны (1) и крепятся к колонне с помощью анкеров (5) с четырех сторон. На стыке стальных пластин (2, 3) на углах колонны (1) привариваются уголки (4) по всей высоте колонны (1) на всех участках соприкосновения пластин (2, 3) и уголков (4). После монтажа стальной обоймы при наличии расстояния между нижними частями стальных пластин (2, 3) и колонны (1) их герметизируют полимерными синтетическим веществом для устранения зазора. При наличии зазора между верхней частью стальных пластин (2, 3) и колонны (1) заполнение зазора осуществляют эпоксидным клеем, излишки которого при необходимости удаляются. Для придания эстетического вида колонны (1) поверх стальной обоймы создается внешний контур из отделочных материалов.
Использованные источники
1. Патент на изобретение РФ RU 2494204 С1 от 27.09.2013, МПК E04G 23/02 (2006.01), «Способ усиления железобетонной колонны».
2. Патент на изобретение РФ RU 2282701 С2 от 27.04.2004, МПК E04G 23/00 (2006.01), «Способ установки узла усиления».
3. Патент на изобретение РФ RU 2274719 С2 от 20.04.2006, МПК E04G 23/02 (2006.01), «Способ усиления железобетонной колонны, утратившей несущую способность».
4. Патент на изобретение РФ RU 2339776 С1 от 27.11.2008, МПК Е04С 23/02 (2006.01), «Способ усиления железобетонной колонны» - прототип.