СПОСОБ УСИЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПАНЕЛЕЙ ПЕРЕКРЫТИЯ
METHOD OF REINFORCING REINFORCED-CONCRETE FLOOR PANELS

Изобретение относится к области строительства и касается усиления железобетонных панелей перекрытия, поврежденных вследствие различных причин, в том числе пораженных огнем в условиях пожара или аварии.
Во время огневого воздействия железобетонные панели перекрытия нагреваются снизу. Максимальные температуры нагрева (800±200)°С наблюдаются на обогреваемой поверхности панели и на глубине до 10-20 мм. Бетон и арматура в сжатой зоне сечения панели прогреваются медленнее и незначительно. К повреждениям панелей огнем относят: хаотичное расположение поверхностных термоусадочных трещин, разрушение части сечения панели, прогретой выше критической температуры нагрева (600±50)°С, растрескивание бетона, отслоение защитного слоя бетона, изменение механических свойств прогретой арматуры.
Возможны и более тяжелые термосиловые повреждения многопустотных панелей: продольные и косые трещины шириной 3÷10 мм в стенках, разделяющих пустотные каналы. Вследствие этого происходит существенное снижение прочности и жесткости панелей перекрытия.
Изобретение предназначено для восстановления основных эксплуатационных характеристик (несущей способности и огнестойкости) железобетонных панелей перекрытия.
Известен способ усиления поврежденной огнем панели перекрытия путем установки дополнительной арматуры в виде отдельных арматурных стержней или гнутых сеток, нанизываемых на стержни существующей арматуры / пат. 2087653 RU, МПК-6, Е04G 23/02. Способ восстановления поврежденных изгибаемых железобетонных элементов/ Н.А.Ильин; заявка: 94012398/03 от 07.04.94; опубл. 20.08.97, Бюл. №23.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа усиления поврежденных панелей перекрытия, относится то, что дополнительную арматуру усиления выполняют дискретно в виде ряда арматурных элементов, которые располагают в плоскости существующей сетки снизу панели. Следовательно, известный способ нерационален для усиления панелей, неэкономичен и трудоемок.
Известен способ усиления железобетонных панелей перекрытия путем подведения снизу упруго-балочного разгружающего железобетонного элемента конструкции, который прикрепляют охватывающими хомутами к колоннам каркаса здания, и устанавливают в середине пролета подпирающий упор. Подведенные балки располагают от усиливаемого элемента на расстоянии 50-150 мм для удобства их бетонирования; подпирающие упоры выполняют после распалубки элемента усиления и его упругой осадки под влиянием собственного веса, представляя собой простую подбетонку фиксированного места собственно упругой опоры (или нескольких опор) /Онуфриев Н.М. Усиление железобетонных конструкций промышленных зданий и сооружений./ - Л., - М.: Стройиздат, 1965, - 342 с. (см. с.90-91, рис.33, а);/[2].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа усиления железобетонных панелей перекрытия, относится то, что при выполнении обхвата колонн здания прикрепляющими хомутами скалывают защитный слой бетона и оголяют рабочую арматуру колонн, к которой приваривают охватывающие стержни арматуры подводимых балок; это приводит к возникновению ударных нагрузок на сооружение; бетонирование оголенных колонн и дополнительной железобетонной балки усиления увеличивают сроки возведения устройства усиления, снижая полезную высоту помещений; элементы усиления имеют ненадежную связь с усиляемыми панелями перекрытия; невозможно регулирование величины разгружения усиляемых панелей перекрытия.
Наиболее близким техническим решением к изобретению по совокупности признаков является способ усиления железобетонных панелей перекрытия путем дополнительного подведения стальных поперечных балок с изменением расчетной схемы панелей; ширину балочек принимают до 100 мм, а высоту - 1:10÷1:12 пролета / Рекомендации по оценке состояния и усилению строительных конструкций промышленных зданий и сооружений./НИИСК. - М.: Стройиздат, 1989, - 105 с. (см. с.28, п.4.30, рис.2,Д; с.35, п.4.35); /[3] - прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа усиления железобетонных панелей перекрытия, принятого за прототип, относится то, что пробивание дыр и отверстий на приопорных участках железобетонных панелей перекрытия для установки на верхних полках панелей опорных элементов усиления приводит к возникновению ударных нагрузок и к ослаблению конструкций, которые могут привести их к внезапному разрушению; установка элементов усиления сверху панелей снижает полезную площадь перекрытия, увеличивает рабочие габариты по высоте, создает неудобства при дальнейшей эксплуатации помещений, обслуживаемых напольным транспортом или авто; конструкции стальных поперечных балок усиления имеют ненадежную связь по ширине усиляемых панелей и требуют большого расхода строительной стали; дополнительная заделка бетоном дыр и отверстий в усиляемых панелях перекрытия увеличивает сроки возведения устройства усиления и расход бетона; использование стальных балок усиления без огнезащиты существенно снижает фактическую огнестойкость несущих балок перекрытия.
Следовательно, восстановление основных эксплуатационных характеристик (несущей способности и огнестойкости) панелей перекрытия известным способом усиления нерационально и некачественно.
Сущность изобретения заключается в следующем:
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в рациональном проведении технического осмотра и поверочных расчетов усиляемых панелей перекрытия по несущей способности, в рациональном устройстве конструкции усиления, в более экономичном восстановлении их основных эксплуатационных характеристик, в сокращении объема аварийно-восстановительных работ, в снижении расхода металла на дополнительные поперечные балки усиления.
Технический результат - достоверное исследование последствий пожара, обоснованное проведение технического осмотра и поверочных расчетов по несущей способности и огнестойкости усиляемых железобетонных панелей перекрытия, качественное восстановление основных эксплуатационных характеристик панелей перекрытия; значительное повышение прочности и жесткости панелей перекрытия; существенное увеличение фактической огнестойкости панелей по признаку потери несущей способности в условиях пожара; повышение безопасности состояния поврежденных панелей в процессе проведения восстановительных работ; создание надежной связи усиляемых панелей и сочленяющихся элементов устройства усиления; исключение необходимости пробивки сквозных дыр и отверстий на приопорных участках железобетонных панелей перекрытия для установки по верху панелей опорных элементов усиления; плавное разгружение сильно поврежденных панелей перекрытия; регулирование величины разгружения усиляемых панелей перекрытий.
Указанный технический результат при использовании изобретения достигается тем, что в известном способе усиления железобетонных панелей перекрытия путем подведения дополнительных стальных поперечных балок, особенностью является то, что вначале проводят технический осмотр и поверочные расчеты железобетонных панелей перекрытия и элементов устройства усиления по несущей способности, потом проектируют и изготовляют элементы устройства усиления, после этого поперечные балки усиления опирают на нижние полки продольных балок каркаса здания, при этом поперечные балки подводят снизу усиляемых панелей перекрытия с зазором между верхом поперечных балок и низом усиляемых панелей перекрытия, затем поперечные балки оборудуют винтовыми распорными приспособлениями, которые устанавливают в зазоре между поперечными балками и панелями перекрытия; после введения распорных приспособлений в работу, распределительные упорные пластины и поперечные балки усиления соединяют между собой отрезками уголков или пластин; зазор между панелями перекрытия и поперечными балками заполняют конструктивным бетоном усиления в виде бетонной шпонки с косвенным армированием; позднее полки и ребра стальных балок усиления покрывают защитными материалами требуемой толщины из условия огнестойкости балок перекрытия как несущих элементов здания.
Следующей особенностью является то, что в случае отсутствия проектных материалов, а также при наличии дефектов и повреждений, снижающих несущую способность железобетонных панелей перекрытия, производят поверочные расчеты по прочности с учетом данных технического осмотра.
Железобетонные панели перекрытия, не отвечающие требованиям поверочного расчета по прочности, приводят в прежнее нормальное состояние путем усиления.
Расчет и конструирование устройства для усиления железобетонных панелей перекрытия выполняют с учетом данных технического осмотра, которым устанавливают геометрические размеры опасного сечения, толщину деструктивного слоя бетона, армирование панелей, прочность бетона на сжатие и арматурной стали на растяжение после пожара, дефекты и повреждения, нагрузки и схему работы панелей перекрытия.
Учет дефектов и повреждений в поверочном расчете по прочности и огнестойкости производят путем уменьшения расчетной площади сечения бетона и арматуры панели, при этом изменение прочности бетона и арматуры учитывают введением дополнительных коэффициентов условий работы отожженных материалов.
Элементы усиления включают в совместную работу с усиляемыми панелями перекрытия.
Для сильно поврежденной панели, при разрушении 50% и более сечения бетона или 50% и более площади сечения рабочей арматуры, элементы усиления рассчитывают на полную действующую нагрузку, без учета остаточной несущей способности усиливаемой панели перекрытия.
Площадь поперечного сечения арматуры усиляемой железобетонной панели определяют с учетом уменьшения ее вследствие отжига в условиях пожара и анизотропности отожженной стали по сечению стержня.
y
y
2
Величину предварительного напряжения стали элементов усиления принимают равной (0,6±0,2)·R, где R - расчетное сопротивление стали растяжению, изгибу и сжатию по пределу текучести, МПа (кгс/см).
При укладке нового бетона предусматривают очистку, насечку и устройство шпонок на поверхности усиливаемой панели, обеспечивающих прочность контактной зоны и совместную работу элементов усиления.
озс
Толщину слоя облицовки δ мм, при гарантированном пределе огнезащиты изоляционного покрытия для стального элемента усиления определяют по формуле (1):
озс
где δ - толщина огнезащитного слоя (облицовки), мм;
ar
2
D - показатель тепловой диффузии (температуропроводности) материала облицовки, мм/мин;
кип
τ - гарантируемый предел огнезащиты конструктивного изоляционного покрытия для стального элемента усиления, мин.
Размеры сечения стального прокатного профиля поперечной балки принимают из условий расчета несущей способности устройства усиления в процессе его монтажа.
Размеры сечения железобетонной поперечной балки со стальным прокатным профилем, используемым в качестве жесткой арматуры, принимают из условий расчета несущей способности устройства усиления панелей перекрытия.
В винтовое распорное приспособление включают верхнюю полку стального прокатного профиля в качестве опорного столика, распределительные пластины, распорные шпильки/болты-шпильки, упорные гайки, шайбы и контргайки.
Распорные приспособления устанавливают по ширине нижней полки каждой панели перекрытия не менее чем в двух точках.
Распределительные пластины распорного приспособления принимают разрезными для каждой усиливаемой панели перекрытия или цельными по ширине нескольких усиливаемых панелей перекрытия.
Зазор между верхней полкой стальных поперечных балок и низом усиливаемых панелей перекрытия принимают высотой не менее 50 мм.
Зазор между панелями перекрытия и стальными поперечными балками в виде шпонки усиления заполняют конструктивным бетоном класса по прочности на сжатие не ниже класса бетона усиливаемых железобетонных панелей перекрытия.
Шпонку из конструктивного бетона усиляют косвенной арматурой в виде сварных гнутых сеток или гнутых сеток «зигзаг» с выступами за боковые грани бетонной шпонки для последующего крепления обмотки из проволоки или сетки и нанесения на нее заданной толщины огнезащитного материала.
В качестве огнезащитных материалов для облицовки стальных балок применяют теплоизоляционные бетоны, минвату, керамические кирпичи и штукатурку по сетке.
Сочленяющиеся с панелями перекрытия поверхности распределительных стальных пластин подвергают огневой обработке горелками, затем утопляют «в сок» пластичного цементно-песчаного раствора состава 1:3 с выжиманием.
После введения в работу распорного приспособления, опорный столик и элементы распределительных пластин его соединяют в середине длины распределительных пластин металлической пластиной или отрезком уголка.
Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом работы заключается в следующем.
Использование предлагаемого способа позволяет экономически обоснованно провести технический осмотр и поверочные расчеты по несущей способности и огнестойкости усиляемых железобетонных панелей перекрытия.
Использование предлагаемого способа позволяет повысить в 4-8 раз несущую способность усиляемых железобетонных панелей перекрытия и в 3-5 раз фактический предел огнестойкости панелей по признаку потери несущей способности в условиях пожара.
Плавное разгружение поврежденных панелей с использованием винтовых распорных приспособлений исключает возникновение ударных нагрузок и механических воздействий, что повышает безопасность состояния поврежденных конструкций в процессе проведения восстановительных работ.
Введение в работу распорных приспособлений устройства усиления и косвенно армированных бетонных шпонок надежно связывают между собой усиляемые панели и конструкцию усиления.
Опирание стальных поперечных балок устройства усиления на продольные балки каркаса здания исключает необходимость пробивания сквозных дыр и отверстий в панелях перекрытия.
Заполнение бетоном зазора между стальной поперечной балкой усиления и усиляемыми панелями перекрытия превращает металлическую балку усиления в железобетонную конструкцию с жесткой арматурой.
Регулирование величины разгружения усиляемых панелей перекрытия позволяет производить более качественное восстановление основных эксплуатационных характеристик (несущей способности и огнестойкости) усиляемых железобетонных панелей перекрытия с помощью дополнительно подведенных поперечных балок.
На чертежах представлено:
На фиг.1 изображен узел опирания стальной поперечной балки, подведенной снизу железобетонных панелей перекрытия, с продольной балкой каркаса здания (разрез 1-1 на фиг.2):
1 - усиляемая панель перекрытия; 2 - элементы распределительной пластины; 3 - упорная пластина; 4 - шпильки/болты - шпильки с упорной резьбой; 5 - стальная поперечная балка усиления; 6 - стальная продольная балка перекрытия; 7 - гайка высокая упорная с шайбой; 8 - контргайка; 9 - отрезок уголка, пластины; 10 - шпонка бетонная; 11 - косвенная арматура.
На фиг.2 и 3 изображен схематический сборочный чертеж усиления железобетонных плит перекрытия подведением поперечной балки в виде упругой опоры (разрезы 2-2 и 3-3): 1 - усиляемая панель перекрытия; 2 - элементы распределительной пластины; 3 - упорная пластина; 4 - шпильки/болты - шпильки с упорной резьбой; 5 - стальная поперечная балка усиления; 6 - стальная продольная балка перекрытия; 9 - отрезок уголка, пластины.
На фиг.4-6 изображена схема стальной поперечной балки устройства усиления в виде прокатного двутавра (разрезы 4-4; 5-5 и 6-6).
На фиг.7 изображено упорное приспособление упруго-опорной конструкции усиления: 3 - упорная пластина; 4 - шпильки/болты - шпильки с упорной резьбой; 5 - стальная поперечная балка усиления; 7 - гайка высокая упорная с шайбой; 8 - контргайка; 9 - отрезок уголка, пластины.
На фиг.8 изображена сетка «зигзаг» для косвенного армирования бетона шпонки: 11 - косвенная арматура.
Сведения, подтверждающие возможность применения изобретения с получением указанного выше технического результата.
2
Осмотром участка здания площадью 100 м, поврежденного кратковременным (0,3-0,5 час) воздействием высоких температур (800±50)°С, установлено, что подлежащие усилению панели перекрытия состоят из многопустотных железобетонных панелей пролетом 7,2 м, шириной 1,2 и 1,5 м (высота поперечного сечения панелей 220 мм).
bm
сс
о
о,min
cc
2
В процессе технического осмотра перекрытия здания зафиксирован очаг поражения и прилегающие к нему зоны (участки) средних и слабых термических повреждений железобетонных панелей. Вид бетона - тяжелый на известковом крупном заполнителе: показатель тепловой диффузии бетона D=19,4 мм/мин; толщина деструктивного слоя бетона δ, мм, по зонам соответственно равна 8; 4 и 2 мм; при обогреве панелей с одной стороны m=1. Следовательно, мера тепловой защиты расчетных точек поперечного сечения панели, вычисленная при δ=δ по формуле (2):
о
1
2
будет равна С=8,95 мм; C=4,48 мм и С=2,24 мм.
Длительность натурного пожара, приведенная к стандартному огневому испытанию по зонам повреждения конструкции (в мин), вычисленная по формуле (3):
ст,оч
ст,1
ст,2
равна в очаге поражения τ=32 мин; в зоне средних и слабых повреждений соответственно: τ=18 мин; τ=10 мин.
Устройство усиления для группы поврежденных панелей запроектировано в плане участка здания в виде двух дополнительно подведенных под железобетонные панели поперечных балок с несущим металлическим стержнем двутавров №18 (b×h×d×δ=180×90×5,1×8,1 мм). Поперечные балки усиления оперты на нижние полки продольных двутавров №30 Ш1 (b×h×d×δ=291×135×6,5×10,2 мм) с зазором Z=100 мм до низа панелей.
ш
1
1
Пространство между верхней полкой стальной поперечной балки усиления 5 и низом усиляемых панелей перекрытия 1 в виде шпонки заполнено бетоном класса В30 по прочности на сжатие; шпонка бетонная 10 усилена косвенной арматурой 11 в виде гнутых сеток «зигзаг»: класс арматуры Вр-I ⌀ 5 мм; длина сеток 1,2 и 1,5 м, шаг ветвей 50÷80 мм. Натяжное приспособление включает опорный столик (верхняя полка стальной поперечной балки усиления) с отверстиями ⌀ 20 мм; е=50 мм; парные упорные пластины длиной 800 и 1000 мм, толщиной 20 мм установлены под каждую усиляемую панель перекрытия 1 шириной 1,2 и 1,5 м, распорные шпильки/болты - шпильки 4 ⌀ 16 мм с упорной резьбой, с высокой упорной гайкой D=40 мм, h=22 мм, с шайбой толщиной S=3 мм, D=44 мм; с контргайкой 8 D=40 мм, h=12 мм. Способ усиления предусматривают к внедрению в ЗАО «Аверс», г.Самара, 2008 г.
Источники информации
1. Ильин, Н.А. Патент 2087653 RU, МПК-6, Е04G 23/02. Способ восстановления поврежденных изгибаемых железобетонных элементов/ Н.А.Ильин; заявка: 94012398/03 от 07.04.94; опубл. 20.08.97, Бюл. №23.
2. Онуфриев, Н.М. Усиление железобетонных конструкций промышленных зданий и сооружений./Н.М.Онуфриев. - Л., - М.: Стройиздат, 1965, - 342 с. (см. с.90-91, рис.33, а).
3. Рекомендации по оценке состояния и усилению строительных конструкций промышленных зданий и сооружений./НИИСК. - М.: Стройиздат, 1989, - 105 с. (см. с.28, п.4.30, рис.2,Д; с.35, п.4.35).