Способ реконструкции каменного здания
METHOD OF RECONSTRUCTION OF THE STONE BUILDING

Изобретение относится к области строительства, а именно к способу реконструкции и усиления каменного здания без изменения его внешнего вида.
Для восприятия сейсмических воздействий старые каменные здания необходимо усиливать в целом, их отдельные конструктивные элементы или их фрагменты.
Отдельные конструктивные элементы здания требуют усиления различного типа. Например, перекрытия необходимо усиливать на восприятие моментов путем наклейки композитных или металлических деталей в растянутой зоне. Такой усиленный элемент может быть второстепенно полезной частью пространственного каркаса, так как не воспринимает дополнительных усилий сжатия и растяжения и не может повысить прочность здания в целом. То же самое можно сказать об усилении стен силовой армированной штукатуркой - набетонкой или наклейкой холстов из композиционных материалов.
Известны способы усиления перекрытий и стен каменных зданий вклейкой напрягаемых тяжей в штробу, устроенную в стене в уровне перекрытий /1/.
Известен способ усиления стен устройством полимеркирпичных и металлических поясов, связанных между собой тяжами из винтовой арматуры и резьбовых муфт [2].
Также известен способ усиления стен каменных зданий для восприятия неравномерных нагрузок путем введения железобетонных или армо-каменных поясов, армированных отдельными линейными элементами или сетками. Пояса располагают в уровне междуэтажных перекрытий в виде непрерывных лент в капитальных стенах как в продольных, так и в поперечных /3/.
Недостатком этих способов можно считать то, что усиливают локальные части здания, но не все здание в целом.
Для обеспечения совместной работы перекрытий и стен применяют связи-распорки, размещаемые в составе перекрытий. Связи-распорки имеют хвостовики, которые могут вклеиваться в стены или проходить стены насквозь и фиксироваться снаружи /4/.
Недостатком данного способа является то, что усиливается только локальная часть здания, но не все элементы здания. В частности, крыша не вовлекается в совместную работу со стенами.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ усиления конструкций зданий 151. Этот способ позволяет усиливать стены вертикальными сердечниками, которые могут быть двух типов:
- железобетонные, работающие совместно с кладкой;
- металлические или железобетонные, воспринимающие нагрузку полностью и не передающие ее на кладку, в которую они установлены.
К недостаткам данного способа можно отнести то, что усиление стен вертикальными сердечниками не позволяет им эффективно работать совместно с ослабленными ветшающими стенами, а также эффективно воспринимать горизонтальные динамические и сейсмические нагрузки.
Для усиления ослабленных трещинами и порами фрагментов стен применяется укрепляющая пропитка 151.
Проблема заключается в том, что усиление локальных фрагментов стен не обеспечивает повышение общей пространственной жесткости здания, необходимой для восприятия динамических и сейсмических нагрузок.
Техническая задача заключается в повышении надежности, прочности, пространственной жесткости, сейсмостойкости реконструируемого здания.
Проблема решается таким образом, что в способе реконструкции каменного здания путем создания скрытого каркаса, состоящего из скрытых в стенах армо-каменных колонн и балок, а также из линейных элементов, усиливающих перекрытия и покрытие. Согласно изобретению сначала в конструкциях здания образуют горизонтальные и вертикальные штробы и сквозные поперечные отверстия, в которых размещают арматуру, при этом вертикальные армирующие элементы размещают в вертикальных штробах, а в поперечных штробах и сквозных поперечных отверстиях - арматуру меньшего сечения, образующую проволочные хомуты, охватывающие вертикальные армирующие элементы, с образованием армо-каменных колонн в составе стен, а горизонтальные армирующие элементы размещают в штробах стен в уровнях перекрытий и фундамента с установкой в поперечных штробах и сквозных отверстиях арматуры меньшего сечения, образующей хомуты, охватывающие горизонтальные армирующие элементы с образованием пересекающихся армо-каменных балок в составе стен по периметру здания, после чего в составе перекрытий и крыши размещают армирующие элементы в виде связей-распорок, которые жестко соединяют с армо-каменными балками стен и колоннами в составе стен, с образованием скрытого жесткого пространственного каркаса с частичной передачей на него нагрузок, затем осуществляют пропитку упрочняющими составами образованного каркаса и омоноличивают узлы соединения. При этом связи-распорки, выполненные в составе перекрытий и крыши, соединяют с армо-каменными балками и колоннами в составе стен путем замоноличивания концевых хвостовиков свай-распорок в отверстиях тела образованных балок и колонн. Кроме того, крышу могут дополнительно усиливать диагональными связями. При этом арматурные элементы могут быть выполнены из металлической или композитной арматуры. Далее, образованный скрытый каркас могут соединять с дополнительными колоннами внутри или снаружи здания. Помимо этого, связи-распорки, выполненные в составе перекрытий и крыши, могут соединять с армо-каменными балками через сквозные отверстия в стене при помощи шайб и гаек.
Предлагаемый способ отличается тем, что сначала в стенах здания образуют горизонтальные и вертикальные штробы и сквозные поперечные отверстия, в которых размещают армирующие элементы, при этом вертикальные армирующие элементы размещают в вертикальных штробах, а в сквозных поперечных отверстиях - арматуру меньшего сечения, образующую проволочные хомуты, охватывающие вертикальные армирующие элементы, с образованием армо-каменных колонн в составе стен, а горизонтальные армирующие элементы размещают в штробах стен в уровнях перекрытий и фундамента с установкой в сквозные отверстия арматуры меньшего сечения, образующей проволочные хомуты, охватывающие горизонтальные армирующие элементы с образованием пересекающихся армо-каменных балок в составе стен по периметру здания, после чего в составе перекрытий и крыши размещают армирующие элементы в виде связей-распорок, которые жестко соединяют с армо-каменными балками стен и армо-каменными колоннами в составе стен, с образованием скрытого жесткого пространственного каркаса с частичной передачей на него нагрузок, затем осуществляют пропитку упрочняющими составами тела армо-каменных колонн и балок образованного скрытого каркаса и омоноличивают узлы соединения.
В старых каменных (кирпичных) домах традиционной конструкции - с малозаглубленным каменным ленточным фундаментом, с деревянными перекрытиями и деревянной стропильной конструкцией скатной крыши сейсмические горизонтальные воздействия воспринимают фундаменты, продольные и поперечные стены, лестничные клетки, а вертикальные воздействия - в первую очередь перекрытия и крыша. Для усиления здания в целом требуется усиление всех конструктивных элементов и объединение их в единый пространственный каркас.
Отдельные конструктивы требуют усиления несущей способности различного типа адекватно воздействующих на них нагрузкам и усилиям.
Поверхностные дефекты кладки стен - морозное шелушение, биопоражения - должны быть устранены.
Перекрытия - организация связей-распорок или наклейка армирующих металлических или композитных материалов на растянутые поверхности в зонах наибольших напряжений.
В предлагаемом решении создается внутри стен и фундамента каменного здания скрытый пространственный армо-каменный каркас, образованный из вновь созданных несущих элементов - армо-каменных колонн и балок, который дополняется усиленными элементами перекрытий и крыши - связями-распорками, соединенными с армо-каменными элементами скрытого пространственного каркаса.
Скрытый пространственный каркас складывается из двух частей, характеризующихся различными видами материалов, специфичных для конструкций рассматриваемого типа зданий: армо-каменных колонн и балок, формируемых в составе каменных стен, и связей-распорок, формируемых в составе деревянных перекрытий и крыши, возможно и из других материалов, с металлическими и иными элементами.
Монолитное соединение каменной стены и образованных в ее составе армо-каменных колонн и балок не нарушается при усилении фрагментов стены, выбранных для преобразования в скрытые колонны и балки. Плоскостные элементы стены выполняют роль связей между усиленными фрагментами стены - колоннами и балками скрытого каркаса, обеспечивают необходимую жесткость элементов скрытого каркаса и всего скрытого каркаса, выполненного в составе стены.
Плоскостные участки конструкций перекрытий и крыши обеспечивают жесткость балочных элементов - связей-распорок, выполненных в их составе. Связи-распорки оснащаются хвостовыми элементами, посредством которых они соединяются с элементами скрытого каркаса в стенах, и таким образом дополняют скрытый каркас пространственного здания.
Хвостовые элементы связей-распорок заанкериваются в объеме скрытых армо-каменных балок и колонн посредством выполненных в их составе резьбовых концевых элементов с шайбами и гайками или вклеиваемых концевых анкерующих элементов.
Пространственный каркас воспринимает вертикальные и горизонтальные нагрузки, как статические, так и динамические или сейсмические, действующие в разных направлениях.
Пространственную жесткость каркасу придают фрагменты основных конструктивных элементов здания, пересекающихся друг с другом: стен, фундаментов, перекрытий, крыши, которые являются плоскостными
Технический результат изобретения заключается в обеспечении надежности, прочности, пространственной жесткости и сейсмостойкости каменного здания за счет создания из усиленных фрагментов несущих элементов стен, фундаментов, перекрытий и крыши здания скрытого пространственного каркаса, включающего армо-каменные колонны, армо-каменные балки и связи-распорки.
Армо-каменная колонна, так же как железобетонная, состоит из объемного замкнутого в поперечном направлении арматурного каркаса - объемной арматурной обоймы и тела из бетона, каменной или кирпичной кладки, находящегося внутри обоймы. Объемная арматурная обойма образуется продольными стержнями, объединяемыми замкнутыми проволочными хомутами, охватывающими снаружи продольные стержни. Хомуты отстоят друг от друга на расстоянии, не превышающем расстояние между продольными стержнями. Сечение арматуры принимается по расчету. Из конструктивных соображений не следует применять высокопрочную арматуру. Продольная арматура колонн не должна быть диаметром менее 20 мм, а для балок менее 16 мм. Диаметр поперечной арматуры в большинстве случаев будет 4-8 мм. Продольная арматура укладывается в специально прорезанные штробы сечением, превышающим диаметр продольной арматуры не меньше чем в два раза. Поперечная арматура укладывается в специально прорезанные штробы на поверхности стены и в просверленные поперек стены отверстия диаметром не менее двух диаметров поперечной арматуры. Штробы и отверстия зачеканиваются или инъецируются цементно-песчаным или полимер-цементным раствором. Состав раствора должен обеспечить надежное приклеивание арматуры к каменной кладке, прочность раствора должна не менее чем в два-три раза превышать прочность каменной кладки. Внешние поверхности заделанных штроб отделываются таким образом, чтобы их фактура и цвет были близки к поверхности кладки. За счет эффективной совместной работы арматурной обоймы и тела колонны прочность армо-каменной колонны многократно превышает прочность фрагмента каменной стены аналогичного объема, даже если такой фрагмент стены усилен вклеенной арматурой.
Армо-каменные балки выполняются аналогично колоннам, только расположены не вертикально, как колонны, а горизонтально. И колонны и балки могут устраиваться под наклоном. Диаметры продольных стержней и хомутов, а также шаг хомутов, определяются расчетом.
Предлагаемый способ отличается от известного тем, что реконструкция каменного здания с усилением каменных стен и фундаментов здания включает устройство в их составе армо-колонн и армо-балок, путем устройства обойм из пространственных арматурных каркасов, состоящих из продольной арматуры, вклеиваемой в штробы и отверстия, и поперечной арматуры, вклеиваемой в штробы и отверстия, сделанные в кладке стен и фундаментов, и образующей хомуты, охватывающие продольную арматуру. Армо-колонны и армо-балки располагаются таким образом, чтобы армо-колонны пересекались с армо-балками. Фрагменты стен и фундаментов в объеме обойм пропитывают упрочняющими составами для обеспечения эффективной совместной работы объемной арматурной обоймы и тела, находящегося внутри нее. Пропитка упрочняющими составами проводится с вытеснением воздуха и воды из пор, микротрещин и трещин в каменной/кирпичной кладке и заполнением их клеевым компонентом прочностью выше, чем прочность старого кладочного раствора.
Получаются армо-каменные колонны и балки, соединенные между собой и образующие скрытый (встроенный) пространственный каркас. Каркас работает совместно со стенами и фундаментами здания.
Перекрытия и крыша усиливаются путем устройства в их составе связей-распорок. Связи-распорки, создаваемые в составе перекрытий и крыши из дерева, металла или железобетона, оснащаются на концах анкерующими деталями, например, резьбовыми анкерами, при помощи которых они объединяются с усиливаемыми армо-каменными элементами здания и образуют единый скрытый (встроенный) пространственный каркас.
Созданный скрытый пространственный каркас из усиленных несущих фрагментов основных несущих конструкций, работающий совместно с ними, обеспечивает повышение надежности, прочности, пространственной жесткости и сейсмостойкости всего здания. Общий облик здания после усиления остается практически неизменным, поэтому каркас усиления здания считается скрытым. Строительные работы по усилению здания проводятся без отселения жителей, поскольку строительные работы поэлементно мало отличаются от традиционного декоративного ремонта.
В результате перераспределения усилий между конструкциями существующего здания и скрытого пространственного каркаса повышаются надежность, прочность, пространственная жесткость и сейсмостойкость усиливаемого здания.
На фиг. 1 представлен общий вид с вырезанным фрагментом здания рассматриваемого традиционного типа, на котором выделены элементы скрытого пространственного каркаса.
На фиг. 2 - фрагмент плана этажей, сечение по балке усиления стены.
На фиг. 3 -  узел сопряжения связи-распорки усиления перекрытия с балкой усиления стены.
На фиг. 4 - узел сопряжения крыши со стеной.
На фиг. 5 - сечение скрытой угловой армо-каменной колонны.
На фиг. 6 - сечение скрытой армо-каменной балки.
Создание скрытого пространственного каркаса начинается с создания армо-каркасов, усиливаемых элементов: армо-каменных колонн и балок.
Затем упрочняются объемы каменных колонн и балок внутри армо-каркасов.
Скрытый пространственный каркас образован армо-каменными элементами, положение которых в континуальной структуре каменного здания, очевидно, как правило, на пересечении основных плоскостных конструктивов: стен, перекрытий, крыши. Затем к армо-каменному скрытому пространственному каркасу присоединяют перекрытия и крышу, усиленные встроенными в них связями-распорками.
Способ осуществляют в следующей последовательности.
В старых домах усилению подлежат, как правило, все основные несущие элементы: фундаменты 1, стены 2, перекрытия 3, крыша 4. В фундаментах 1 существующего здания устраивают армо-каменные балки 5 усиления, в стенах 2 устраивают армо-каменные колонны 6, армо-каменные балки 7 - в уровне перекрытия, армо-каменные балки 8 - в парапете. В перекрытиях 3 устраивают связи-распорки 9. В крыше 4 балку-конек преобразуют в коньковую связь-распорку 10, стропила - в стропильные связи-распорки 11 и соединяют между собой. Связи-распорки 9 в перекрытии 3 крепятся к балке усиления стены 7 посредством заанкеривания хвостовиков 12, имеющих резьбу на концах, через отверстия в балке 7 в пазы 13 и через опорную пластину 14 посредством гаек 15.
Крыша 4 опирается на стены 2 через мауэрлат 16 и через стропильные связи-распорки 11 крепится к балке усиления стены 7, расположенной в парапетной части стены 2, посредством элемента крепления 17 стропильной связи-распорки 11 к мауэрлату 16 и крепежного элемента 18, объединяющего элементы крыши 4 и стены 2.
Скрытые колонны усиления стены 2 создаются посредством прорезки штроб 19, в которые вставляют продольную арматуру 20, просверливают отверстия 21 и вставляют поперечную арматуру 22, охватывающую продольную арматуру и образующую замкнутые хомуты. Арматурные элементы 20 и 22 вклеивают или зачеканивают в штробы 19 и отверстия 21. Тело колонны 23, образующееся в пространстве между продольными 20 и поперечными 22 арматурными элементами, пропитывают упрочняющими составами.
Скрытые балки усиления стены 7 создаются аналогично скрытым колоннам усиления стены 6.
После зачеканивания пазов 13, штроб 19 и отверстий 21, в которые были установлены продольные и поперечные арматурные элементы, их декорируют под цвет и фактуру стены.
Преимущества предлагаемого способа усиления каменного здания состоят в следующем:
- конструктивная схема каменного здания усиливается за счет дополнения вновь создаваемым пространственным каркасом из усиливаемых элементов в составе конструктивов каменного здания;
- в состав скрытого пространственного каркаса входят как армо-каменные элементы, так и усиленные элементы перекрытий и крыши, выполняемые из дерева, металла или железобетона и оснащаемые анкерующими хвостовиками;
- перераспределение усилий в конструктиве за счет совместной работы с пространственным каркасом из усиленных фрагментов конструкции каменного здания обеспечивает возможность воспринимать не только статические, но и динамические и сейсмические нагрузки;
- усиление фрагментов конструктива каменного здания производится не только дополнительными армирующими и анкерующими элементами, но и качественным улучшением свойств усиливаемых фрагментов упрочняющей пропиткой;
- все операции по предлагаемому способу усиления каменного здания могут проводиться без отселения жителей;
- усиление каменных зданий без изменения их внешнего вида и без отселения жителей позволяет обеспечить надежность зданий исторически сформировавшейся и ветшающей застройки в сейсмически опасных районах; вблизи новых автомагистралей, железных дорог, метро, создающих динамические нагрузки; при возрастающих эксплуатационных нагрузках на перекрытия и крышу при установке современной бытовой и иной техники.
Использование изобретения позволяет существенно сократить затраты на модернизацию старых ветшающих домов и проводить реконструкцию жилых зданий без отселения жителей.
Источники информации
1. А.Д. Келемешев "Обследование и усиление зданий" - учебное пособие для студентов специальности 58072900 - "Строительство" - Алматы; КазГАСА, 2011, 98 с. // www.nedvigovka.ru
2. Шилин А.А., Гапонов В.В., Никитин В.М. Патент №2423590, опубл. 10.07.2011 в Бюллетене №19 "Способ проведения ремонтно-восстановительных работ на строительных объектах с кирпичной кладкой наружных и внутренних стен".
3. Юрченко А.А. Патент №2602840, опубл. 20.11.2016 г. в Бюллетене №32 "Устройство для усиления несущих конструкций".
4. С. Ткачев "Диагностика и усиление каменных конструкций. / Библиотека научно-технического портала "Технарь"// www/tehlib.com
5. М.К. Ищук, И.Г. Фролова, Е.М. Ищук "Усиление каменных конструкций"// Промышленное и гражданское строительство. 2008, №8, www.pandia.ru (прототип).