СПОСОБ УСИЛЕНИЯ КОЛОННЫ И СОЧЛЕНЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПЕРЕКРЫТИЯ ЗДАНИЯ
METHOD TO REINFORCE COLUMN AND JOINED ELEMENTS OF BUILDING SLAB

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при восстановлении несущих конструкций эксплуатируемого здания, - более конкретно при восстановлении тяжело поврежденной железобетонной колонны и сочлененных элементов перекрытия здания в условиях пожара, взрыва, аварии.
2
К тяжелым термическим повреждениям колонны и сочлененных элементов перекрытия после пожара относятся отслоение деструктивного бетона на глубину 40-80 мм и более, выпучивание стержней арматуры, появление остаточных термических напряжений растяжения (до 10000 Н/см) в рабочей арматуре колонн. Повреждение сочлененных элементов перекрытия (ригеля, балки, плиты) характеризуется большей степенью разрушения бетона в сечении ригеля, чем в сечении колонны, вследствие более глубокого прогрева ригеля до предельной температуры (500±50)°С; возможно существенное снижение площади опирания в местах соединения ригеля с колонной из-за выкрашивания деструктивного бетона, вследствие этого возможны трещины среза в бетоне ригеля от совместного действия силовой нагрузки и огневого воздействия. При тяжелых повреждениях сочленения элементов перекрытия появляется опасность хрупкого разрушения колонны и последующего обрушения ригелей здания. В ряде случаев целесообразно исправление поврежденного сочленения элементов без демонтажа ригелей и колонн, полной или частичной их разгрузки.
Известен способ усиления колонны дополнительными предварительно напряженными металлическими распорками / см. Рекомендации по оценке состояния и усилению строительных конструкций промышленных зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 1989. - С.50-56, рис.23 / [1].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа усиления, относится то, что в известном способе преднапряженные распорки повышают несущую способность только колонны, следовательно, невозможно обеспечить надлежащее усиление поврежденного сочленения элементов перекрытия; при неточном изготовлении напрягаемых распорок по их длине, в известном способе невозможно надежное их включение в совместную работу с усиливаемой колонной, следовательно, снижается точность контроля степени разгружения места сочленения ригеля и колонны; в известном способе сечение ветвей распорки принимают конструктивно, с большим перерасходом металла на усиление, следовательно, при использовании известного способа возрастают металлоемкость и трудоемкость; в известном способе, при применении металла без конструктивной огнезащиты, снижается длительность сопротивления огневому воздействию в условиях повторного пожара элементов усиления, в частности, и фактическая огнестойкость колонны в целом.
Известен способ усиления колонны, включающий установку металлической обоймы, в верхней части которой закрепляют натяжной узел, обойму из 4 прокатных уголков, связанных попарно соединительными планками в две ветви, в продольном направлении которые обжимают распорным устройством / см. А.с. SU №607 932, кл. 2 E04G 23/02. Способ усиления колонн./ В.В. Гусельников. Опубл. 25.05.78. Бюл. №19/ [2].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа усиления колонны и ее оголовка относится то, что в известном способе применяют громоздкую, металлоемкую обойму из прокатных уголков; эффективность использования известного способа усиления снижается вследствие того, что грузовой винт распорного узла имеет шарнирное закрепление с обеих концов, следовательно, коэффициент его приведенной длины весьма значителен; опорная площадка под ригель удалена от ветви распорки, следовательно, дополнительно возникает изгибающий момент, действующий на эту ветвь распорки и опорный столик, увеличены общие габариты сечения оголовка усиливаемой колонны; в известном способе используют металл без конструктивной огнезащиты, следовательно, снижена фактическая огнестойкость элементов усиления в частности и сочлениения в целом.
Известен способ усиления железобетонной колонны, включающий установку опорных столиков, усиливающих элементов колонны и ее оголовка, распорного устройства, напряжение усиливающей распорки с регулируемым усилием с последующим обжатием и бетонированием / см. А.с. SU №1162729, кл. 4 E04G 23/02. Способ восстановления капителей и колонн железобетонных конструкций / Н.А. Ильин. Опубл. 23.06.85. Бюл. №23 / [3].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, при использовании известного способа восстановления железобетонной колонны является то, что в известном способе расходуется значительная масса металла, не эффективно используемая для усиления колонн, опорные узлы известного устройства внизу и вверху колонны не имеют жесткого закрепления, составные части ветвей обоймы соединены натяжным винтом, характеризующим их шарнирное примыкание, в известном способе расположение натяжных винтов не по центру тяжести поперечного сечения уголка обоймы приводит к возникновению изгибающего момента от распорного усилия, действующего на напрягаемые ветви составных частей обоймы; при использовании металла без конструктивной огнезащиты снижена фактическая огнестойкость элементов усиления и колонны.
Наиболее близким техническим решением к изобретению по совокупности признаков является способ усиления колонны, включающий упорный элемент, напрягаемую распорку и натяжной узел; при этом упорный элемент выполняют в виде опорного столика и упорного башмака напрягаемой распорки, остов которой выполняют из двух ветвей, распорный узел выполняют с применением грузовых винтов и упорных гаек. При усилении нагруженной колонны, поврежденной с одной стороны опорный столик и напрягаемую распорку устанавливают с той же стороны (грани) колонны. После введения напрягаемой распорки в работу, опорный уголок и упорную пластину соединяют наглухо металлической пластиной / Патент RU №2308585 С2, МПК - E04G 23/02 (2006. 01). Способ восстановления железобетонной колонны и ее оголовка / Ильин Н.А., Комов Е.М., Яценко П.П.; заявка СГАСУ от 03.10.2005; опубл. 20.04.2007. Бюлл. №29/ [4] - принято за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного технического результата, при использовании известного способа восстановления железобетонной колонны является то, что в известном способе расходуется значительная масса металла, не эффективно используемая для усиления колонн, опорные узлы известного устройства внизу и вверху колонны не имеют жесткого закрепления, составные части ветвей обоймы соединены натяжным винтом, характеризующим их шарнирное примыкание. В известном способе соединительные планки прикрепляют к угловым стойкам стальной обоймы, которые находятся под напряжением, вследствие этого возрастает опасность строительно-монтажных работ; упорный швеллерообразный башмак и опорный столик представляют собою металлоемкие элементы усиления.
Сущность изобретения заключается в следующем. Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в повышении надежности и безопасности состояния усиливаемой колонны и сочлененных элементов перекрытия, получивших тяжелые местные повреждения, в снижении расхода стали и материальных затрат за счет рациональной установки элементов усиления предлагаемым способом.
Технический результат - рациональное проведение технического осмотра и оценки состояния поврежденной колонны и сочлененных элементов перекрытия, надежное включение в совместную работу напрягаемой распорки (с контролем предварительных напряжений), усиливаемой колонны; жесткое соединение грузового винта с несущей ветвью распорки, вдвое снижающее коэффициент приведенной длины винта при расчете прочности и устойчивости его как сжатого элемента, упрощение конструкции передачи «грузовой винт - упорная гайка» распорного узла при проектировании изготовлении его, улучшение контроля разгружения усиливаемой колонны и ее сочлененных элементов перекрытия напряженными распорками, снижение расхода металла на изготовление устройства усиления и получение возможности эффективного использования металла при усилении колонны и сочлененных элементов перекрытия, обеспечение огнезащиты металлических элементов усиления и гарантированного предела огнестойкости усиливаемой колонны.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе сочленения элементов перекрытия с колонной здания, включающем проведение технического осмотра сочленения элементов, проведение проверочных расчетов элементов устройства усиления по прочности, проектирование и изготовление элементов устройства усиления, установку их на сочленяющиеся элементы перекрытия здания, напряжение стоек стальной обоймы с регулируемым усилием с последующим обжатием и бетонированием, особенностью является то, что распорный узел устройства усиления, устанавливаемый в верхней части усиливаемой колонны, выполняют из опорного столика и стальных гребенок, состоящих из упорных пластин и грузовых винтов и образующих между собой тавровое сварное соединение, которые включают в работу одновременно с двух противоположных граней усиливаемой колонны, сочлененной с элементами перекрытия здания.
Кроме этого особенности способа усиления заключаются в том, что стальную гребенку распорного узла выполняют в виде сварного таврового соединения грузовых винтов непосредственно с нижней поверхностью упорной пластины.
Стальную гребенку распорного узла выполняют в виде сварного таврового соединения грузовых винтов с упорной пластиной и выпуском анкеров через раззенкованные отверстия. Стальную гребенку распорного узла выполняют в виде крепежного болтового соединения грузовых винтов, оборудованных буртиком, с упорной пластиной и выпуском анкеров через отверстия в упорной пластине.
Грузовой винт выполняют в виде короткого отрезка стального стержня, оборудуя один конец ходовой резьбой, натяжными гайками, шайбами и контргайкой. Грузовой винт выполняют в виде отрезка стального стержня, оборудуя один конец ходовой резьбой, натяжными гайками, шайбами и контргайкой; другой конец оборудуют буртиком, крепежной резьбой, гайкой и шайбой. Грузовой винт выполняют в виде отрезка стального стержня, включающего в себя длину анкера, оборудуя один конец ходовой резьбой, натяжными гайками, шайбами и контргайкой; другой конец оборудуют анкером.
При изготовлении сварного таврового соединения грузового винта с упорной пластиной распорного узла используют дуговую сварку под флюсом. При изготовлении сварного таврового соединения грузового винта с упорной пластиной распорного узла используют контактную сварку сопротивлением и непрерывным оплавлением. При изготовлении сварного таврового соединения грузового винта с упорной пластиной распорного узла используют дуговую сварку в раззенкованное отверстие.
Упорную пластину распорного узла изготовляют из отрезка рифленой полосовой стали. Упорную пластину распорного узла прикрепляют непосредственно к бетону нижней грани элемента перекрытия, утопляя в сок пластичного цементно-песчаного раствора с выжиманием. Упорную пластину распорного узла прикрепляют к элементу перекрытия путем установки анкеров грузовых винтов в пазы глубиной 60 мм, высверливаемые в бетоне нижней грани элемента перекрытия. Упорную пластину распорного узла закрепляют к обнаженной нижней арматуре железобетонного элемента перекрытия путем контактной рельефно-точечной сварки.
b
При условии включения в работу напрягаемых стоек стальной обоймы, коэффициент условий работы железобетона усиливаемой колонны принимают без его понижения, - m=1,0.
озс
При бетонировании толщину слоя облицовки δ, мм, при гарантированном пределе огнезащиты изоляционного покрытия для стального элемента усиления определяют по логарифмической формуле (1):
озс
где δ - толщина огнезащитного слоя облицовки, мм;
кип
τ - гарантируемый предел огнезащиты изоляционного покрытия, мин;
ar
2
D - показатель термодиффузии материала облицовки, мм/мин.
Размеры поперечного сечения опорного столика, усиленного ребрами жесткости, принимают по результатам проверки прочности стоек и поясных листов изгибаемых стальных элементов.
Диаметр грузовых винтов и их число определяют расчетом на прочность и устойчивость в зависимости от величины усилия разгружения железобетонной колонны.
Сочленяющиеся с опорой ригеля поверхности упорной пластины, подвергают огневой обработке горелками и утопляют в сок пластичного раствора с выжиманием.
Высоту сварного флангового шва, соединяющего элементы устройства усиления, принимают по расчету на срез и изгиб, но не менее 6 мм.
После введения напрягаемой распорки в работу нижнюю грань упорной пластины и верх опорного столика соединяют металлической пластинкой или отрезком уголка с помощью контактной рельефно-точечной сварки.
На чертежах представлено:
на фиг.1 изображено сопряжение ригеля перекрытия с усиливаемой колонной; распорный узел, включающий опорные столики, упорные пластины, грузовые винты с анкерами и крепежными деталями резьбового соединения (сечение А-А);
на фиг.2 - вид сбоку (сечение Б-Б);
на фиг.3 - вид сверху (сечение В-В), где приняты следующие обозначения: 1 - усиливаемая колонна; 2 - ригель перекрытия; 3 - угловая стойка стальной обоймы; 4 - грузовой винт; 5 - упорная пластина; 6 - натяжная гайка (с шайбой); 7 - контргайка (с шайбой); 8 - анкер стальной гребенки; 10 - опорный столик; 11 - отверстия сквозные для грузовых винтов; 13 - ребро жесткости; 15 - фланговый сварной шов; 17 - планка стальной обоймы; 18 - слой огнезащитного покрытия (пунктир);
на фиг.4 изображена стальная гребенка, включающая упорную пластину с раззенкованными отверстиями, грузовые винты с анкерами и крепежными деталями резьбового соединения с опорным столиком распорного узла (сечение Г-Г);
на фиг.5 - вид сбоку (сечение Д-Д); (поз. 1-8; 10-12; 15, 17 и 18 приведены под фиг.1-3): 9 - буртик грузового винта; 12 - сварка в раззенкованные отверстия; 14 - соединительная планка или уголок (пунктир); 16 - строительный раствор (с выжиманием); 20 - пазы в бетоне для анкеров (глубиной 60 мм); 22 - контактная рельефно-точечная (две точки) сварка (тип Н-2 ГОСТ 19292);
на фиг.6 изображен эскиз стальной гребенки с анкерами при тавровом соединении упорной пластины с грузовыми винтами путем дуговой сварки в раззенкованные отверстия;
на фиг.7 изображено раззенкованное отверстие в упорной пластине;
на фиг.8 изображен эскиз стальной гребенки при тавровом соединении упорной пластины с грузовыми винтами путем дуговой сварки под флюсом (соединение типа Т1 по ГОСТ 19292): 4 - грузовой винт; 5 - упорная пластина; 8 - анкер стальной гребенки; 11 - отверстия сквозные для грузовых винтов; 12 - сварка в раззенкованные отверстия; 19 - сварное тавровое соединение (типа Т1 по ГОСТ 19292);
на фиг.9 изображено соединение упорной пластины и обнаженной от бетона продольной арматуры ригеля перекрытия путем контактной рельефно-точечной (две точки) сварки (тип Н-2 ГОСТ 19292), где показаны: 1 - усиливаемая колонна; 2 - ригель перекрытия; 3 - угловая стойка стальной обоймы; 4 - грузовой винт; 5 - упорная пластина; 6 - натяжная гайка (с шайбой); 7 - контргайка (с шайбой); 10 - опорный столик; 13 - ребро жесткости; 14 - соединительная планка или уголок (пунктир); 15 - фланговый сварной шов; 19 - сварное тавровое соединение (типа Т1 по ГОСТ 19292); 21 - продольная арматура ригеля перекрытия; 22 - контактная рельефно-точечная (две точки) сварка (тип Н-2 ГОСТ 19292);
max
max
0
на фиг.10 изображен опорный уголок распорного узла в трех проекциях, где показаны: 10 - опорный столик; 11 - отверстия сквозные для грузовых винтов; 13 - ребро жесткости; В - ширина большой полки; b - ширина малой полки; δ - толщина полки; 1,5·d≥К≤300 мм; d - диаметр отверстия максимальный; z=D+3·δ; здесь D - диаметр натяжной гайки грузового винта; е - расстояние от обушка до ближайшей риски; l - длина опорного столика.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного выше технического результата.
Пример конкретного выполнения. Техническим осмотром и поверочными расчетами установлено ограниченно-работоспособное состояние железобетонной колонны и сочлененных элементов перекрытия после продолжительного пожара (длительность 100±15 мин, температура на поверхности конструкций здания, примыкающих к очагу горения, находилась в пределах 1000±100°C); для усиления поврежденной колонны запроектировано, изготовлено и установлено устройство усиления средней усиливаемой колонны - 1 жилого дома (торговый зал) высотой этажа Н=3,8 м (тяжелые термоповреждения на участке длиной 2,5 м от сочлененных элементов перекрытия на четырех гранях колонны сечением В×С=400×400 мм), содержащее упорную пластину - 5, распорный узел с грузовыми винтами - 4, опорный столик - 10 и угловой стойки стальной обоймы - 3.
Упорная пластина - 5 под железобетонный ригель перекрытия выполнена из листовой стали С 285 (Ст. 3) толщиной 8 мм, длиной 240 мм; соединена с обнаженной от термоповрежденного бетона нижней продольной арматурой ригеля перекрытия - 21, контактной рельефно-точечной сваркой - 22.
Остов стальной обоймы включает в себя четыре угловые стойки стальной обоймы - 3 из стальных горячекатаных равнополочных уголков  125×125×10 мм, длиной 3830 мм, соединительных планок - 14 из стальных пластин 400×100×10 мм, шаг планок 400 мм.
Опорный столик - 10 включает в себя: отрезок стального горячекатаного уголка  125×80×10 мм (длина 360 мм), стальные ребра жесткости 13 толщиной 10 мм, распорный узел из упорной пластины - 5 (листовая сталь толщиной 10 мм), три грузовых винта - 4 с высокими натяжными гайками - 6 (длина винта 240 мм, диаметр винта 20 мм, длина нарезки резьбы 200 мм, вид резьбы - ходовая, упорная).
Введение в работу деталей устройства усиления колонны и сочлененных элементов перекрытия производят следующим образом.
Элементы угловой стойки стальной обоймы - 3, планки стальной обоймы - 17, упорную пластину - 5, грузовые винты - 4 и опорный столик - 10 изготовляют в механической мастерской.
Опорный столик к поверхности стоек стальной обоймы усиливаемой колонны - 1 укрепляют фланговыми сварными швами - 15, на опорный столик - 10 устанавливают грузовые винты - 4, оборудованные упорной пластиной - 5, подпирающей опорную часть ригеля перекрытия; заворачиванием натяжных гаек - 6 грузовых винтов - 4 с заданным (контролируемым) усилием, - нагружают верхнюю часть стоек стальной обоймы усиливаемой колонны - 1.
После введения напрягаемой распорки - угловых стоек стальной обоймы - 3 в работу нижнюю грань упорной пластины - 5 и верх опорного столика - 10 соединяют соединительной планкой (отрезком уголка) - 14 с помощью контактной рельефно-точечной (две точки) сварки - 22 (тип Н - 2 ГОСТ 19292).
Для предупреждения ослабевания натяжных гаек - 6 под нагрузкой производят стопорение их относительно грузовых винтов - 4 пластическим деформированием, сваркой или упругими шайбами.
На металлические элементы усиления наносят огнезащитное покрытие - 18 - слой огнезащитного покрытия из легкого бетона толщиной 50 мм.
Класс дополнительно уложенного бетона по прочности на сжатие принимают равным классу бетона усиливаемой конструкции, но не менее В 15.
Использованием предложенного способа усиления колонны и сочлененных элементов перекрытия здания устраняют тяжелые повреждения без демонтажа или предварительной разгрузки несущей конструкции, наиболее полно используя прочность стальной обоймы и остаточную прочность материалов железобетона при дальнейшей эксплуатации конструкций.
Предложенный способ позволяет рационально и эффективно произвести усиление тяжело поврежденной усиливаемой колонны - 1 и сочлененных элементов перекрытия за счет надежного включения в совместную работу напрягаемых распорок - угловых стоек стальной обоймы - 3 с контролем предварительных напряжений.
Жесткое соединение грузовых винтов - 4 с несущими ветвями стальной обоймы вдвое снижает коэффициент приведенной длины винта при расчете прочности и устойчивости его как сжатого элемента.
Предложенный способ упрощает конструкцию передачи «грузовой винт - упорная гайка» предлагаемого распорного узла при проектировании и изготовлении его, повышая надежность в работе, выигрыш в силе и обеспечивая бесшумное и плавное перемещение напрягаемой распорки с большой точностью.
Использование предложенного способа улучшает контроль разгружения усиливаемой колонны и сочлененных элементов перекрытия напряженными распорками стальной обоймы, снижает на 50% расход металла на изготовление элементов усиления и обеспечивает требуемую их огнезащиту.
Предложенный способ применен в строительной промышленности при усилении железобетонных колонн и сочлененных элементов перекрытия жилого дома повышенной этажности. Колонны с тяжелыми термическими повреждениями находились на границе между ограниченно работоспособным и аварийным состоянием: высота колонн 3,8 м, поперечное сечение 400×400 мм, бетон колонны тяжелый на гранитном заполнителе класса В 25. Материал элементов устройства усиления - сталь С 285 (Ст. 3 кл. 2-1). Расчетная нагрузка на колонну 2200 кН (240 те). Работы по усилению колонны и сочлененных элементов перекрытия были проведены в жилом доме со встроенным торговым залом, (г. Самара, 2011 г.).
Источники информации
1. Рекомендации по оценке состояния и усилению строительных конструкций промышленных зданий и сооружений / ЦНИИСК. М.: Стройиздат, 1989. - С.50-56, рис.23.
2. А.с. SU №607932, кл. 2 E04G 23/02. Способ усиления колонн / В.В. Гусельников. Опубл. 25.05.78. Бюл. №19.
3. А.с. SU №1 162729, кл. 4 E04G 23/02. Способ восстановления капителей и колонн железобетонных конструкций / Н.А. Ильин. Опубл. 23.06.85. Бюл. №23.
4. Патент RU №2308585 С2, МПК - E04G 23/02 (2006. 01). Способ восстановления железобетонной колонны и ее оголовка / Н.А. Ильин, Е.М. Комов, П.П. Яценко; заявка СГАСУ от 03.10.2005; опубл. 20.04.2007. Бюлл. №29.