УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСИЛЕНИЯ МНОГОПУСТОТНОЙ ПАНЕЛИ ПЕРЕКРЫТИЯ ЗДАНИЯ
DEVICE FOR REINFORCEMENT OF MULTI-CAVITY PANEL OF BUILDING FLOOR

Изобретение относится к области строительства и касается усиления железобетонной многопустотной панели перекрытия здания, поврежденной вследствие различных причин, в том числе пораженных огнем в условиях пожара или технологической аварии.
Во время непродолжительного (1-2 ч) огневого воздействия железобетонная многопустотная панель перекрытия здания нагревается снизу. Максимальная температура нагрева 900±50°С наблюдается на обогреваемой поверхности панели и на глубине от 10 до 20 мм. Бетон и арматура в сжатой зоне сечения панели прогреваются медленнее и незначительно. К повреждениям железобетонной многопустотной панели 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 отожженной арматуры и потеря преднапряжения в ней. Возможны и более тяжелые термосиловые повреждения многопустотной панели: продольные и косые трещины шириной 3÷10 мм в стенках, разделяющих пустотные каналы. Вследствие этого происходит существенное снижение прочности и жесткости панели перекрытия.
Предложенное устройство предназначено для восстановления основных эксплуатационных характеристик (несущей способности, жесткости и огнестойкости) многопустотной панели перекрытия здания.
Известно устройство для усиления поврежденной панели перекрытия, состоящее из дополнительной арматуры в виде отдельных арматурных стержней или гнутых сеток, нанизанных на стрежни существующей арматуры / Пат.RU 2119023, МПК-6 Е04С 5/08. Арматурное изделие. / Ильин Н.А.; заявка №96115626/03 от 26.07.96; опубл. 20.09.98, Бюл. №26 / [1].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства для усиления многопустотной панели перекрытия, относится то, что дополнительная арматура усиления выполнена дискретно в виде ряда арматурных элементов, которые расположены в плоскости существующей сетки снизу панели перекрытия. Следовательно, известное устройство не рационально для усиления многопустотных панелей, не экономично и трудоемко.
Известно устройство для усиления многопустотной панели перекрытия здания, содержащее дополнительные арматурные изделия, выполненные в виде пары отдельных составных ненапрягаемых арматурных стержней, установленных в пустотные каналы панели перекрытия через щели определенной длины, прорезанные в средней части нижний полки панели вдоль оси симметрии пустотного канала, при этом составные стержни ненапрягаемой арматуры усиления соединены между собой внахлестку без сварки /Патент на полезную модель RU №64245, МПК Е04G 21/2, Е04С 5/00. Устройство для усиления панели перекрытия. / Н.А.Ильин, С.В.Эсмонт, А.П.Шепелев, заявка 2006139195/22 от 07.11.2006, опубл. 27.06.2006, Бюл. №18 [2].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства для усиления многопустотной панели перекрытия здания, относится то, что применение арматуры усиления без ее предварительного напряжения приводит к перерасходу стали по массе и ее сечению, при этом панель перекрытия имеет малую трещиностойкость от воздействия эксплуатационной нагрузки, пониженную жесткость вследствие наличия силовых трещин, увеличение прогиба и зыбкости панели перекрытия.
Известно устройство для усиления многопустотной панели перекрытия здания, содержащее арматурный стержень усиления, часто расположенные стальные фиксаторы на нем в виде шайб для обеспечения проектной толщины слоя бетона и анкеры со стальными пластинами и гайками для крепления арматурного стержня в рабочем положении; в качестве бетона усиления применен тяжелой литой мелкозернистый бетон, подача которого в пустотный канал осуществлена под давлением / Пат. RU 1823909, МПК Е04G 23/02. Способ усиления многопустотных плит перекрытия. / И.А.Кочетов, Б.Ю.Барыкин, заявка 4908995/33 от 08.02.91, опубл. 23.06.93, Бюл. №23/ [3].
3
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства для усиления многопустотной панели перекрытия здания, относится то, что применение арматурных изделий для рабочей стержневой арматуры приводит к перерасходу стали для изготовления часто расположенных фиксаторов - шайб, анкерных стержней-крюков, охватывающих рабочую арматуру, которые после набора прочности нового бетона обрезают со стороны потолка, повышая трудоемкость строительных работ и увеличивая долю ручного труда; использование ненапрягаемой арматуры усиления производит также к перерасходу стали по массе и ее сечению, при этом усиленная панель перекрытия имеет малую трещиностойкость от воздействия эксплуатационной нагрузки, пониженную жесткость вследствие наличия силовых трещин, увеличение фактического прогиба и зыбкости панели перекрытия, применение тяжелого мелкозернистого бетона для заполнения пустотного канала увеличивает расход цемента на 150÷200 кг на 1 м бетона, а также снижает огнестойкость усиленной панели в 4÷6 раз вследствие быстрого прогрева стержневой арматуры усиления до критической температуры и наступления предельного состояния панели по потере несущей способности, то есть обрушения.
Наиболее близким техническим решением к изобретению по совокупности признаков является устройство для усиления многопустотной панели перекрытия здания, содержащее напрягаемую проволочную арматуру усиления, оборудованную упорами с натяжным устройством и прокладками, при этом напрягаемая проволочная арматура усиления установлена наклонно по направлению от отверстий в приопорных зонах к отверстиям в пролете; предварительное напряжение проволочной арматуры создано натяжными устройствами / Пат. RU 2020234, МПК-5 Е04G 23/02. Способ усиления железобетонных многопустотных панелей перекрытий. / Д.Н.Лазовский, С.Д.Масленников, А.В.Авдошка и др., заявл. 22.04.1991, опубл. 30.09.1994, Бюл.№27, ил / [4] - принято за прототип.
c
c
1
1
2
опт
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства для усиления многопустотной панели перекрытия здания, относится то, что усиление пустотной панели выполнено в виде предварительно напряженной шпренгельной арматуры с малым 4-5° углом наклона к продольной оси панели перекрытия с высотой сечения h, см, и пролетом l, см (при tg α=h/0,5·l)=22/0,5·580=22/290=0,076 - угол α=(4÷5) град). Следовательно, на приопорном участке панели перекрытия возникает сжимающая сила N, равная N=0,96·P, где P - усилие от преднапряжения шпренгельной арматуры; это более чем в 1,3 раза больше величины Р, возникающей в шпренгеле при нормативном (оптимальном) угле наклона (α=35°).
доп
c
На опорах при анкеровке дополнительной шпренгельной арматуры возникает дополнительно изгибающий момент М=N·h, действие которого шпренгельная арматура не воспринимает.
Следовательно, при использовании известного устройства восстановления изгибаемая панель перекрытия, усиленная шпренгельной арматурой, превращается во внецентренно сжатую, существенно изменяя свою первоначальную схему работы на изгиб.
Сильно поврежденную панель перекрытия невозможно надежно восстановить с использованием преднапряженной шпренгельной арматуры; возможно разрушение поврежденной панели в процессе ее усиления от дополнительных усилий сжатия и изгибающего момента, возникающего на опорных участках.
В промышленном производстве при выборе варианта усиления отдают предпочтение решениям с четкой расчетной схемой, обеспечивающей совместную работу усиливаемой конструкции с элементами усиления и позволяющей достоверно определить дополнительно воспринимающую нагрузку.
Определенная по известному способу площадь поперечного сечения дополнительно преднапряженной арматуры принимают завышенной, что ведет к необоснованному расходу стали.
В пробитые в нижней полке панели спаренные отверстия (дыры) над смежными пустотами и внутренним ребром панели невозможно ввести арматурное изделие усиления в виде сварного каркаса для восприятия поперечной силы на опорных участках.
Преднапряжение в шпренгельной арматуре производят после затвердения бетона в заделке анкеров, то есть не ранее 7 суток после укладки бетона. Это увеличивает сроки выполнения работ по усилению панели перекрытия.
Следовательно, восстановление основных эксплуатационных характеристик (прочности, жесткости, трещиностойкости, огнестойкости) поврежденных многопустотных панелей известным устройством не рационально и не надежно.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Задача, на решение которой направлена заявленное изобретение, состоит в рациональном устройстве конструкции усиления, в более экономичном восстановлении их основных эксплуатационных характеристик, в сокращении объема восстановительных работ, в снижении расхода металла на дополнительную арматуру усиления.
Технический результат - качественное восстановление основных эксплуатационных характеристик усиливаемой многопустотной панели перекрытия; в результате использования изобретения возможно:
значительное повышение прочности и жесткости панели перекрытия; существенное увеличение фактической огнестойкости панели по признаку потери несущей способности в условиях пожара; повышение безопасности состояния поврежденной панели в процессе проведения восстановительных работ; создание надежной связи усиляемой панели и сочленяющихся элементов устройства усиления; исключение необходимости пробивки сквозных дыр и отверстий на приопорных участках панели перекрытия для установки по верху панелей опорных элементов усиления; плавное разгружение сильно поврежденной панели перекрытия; регулирование величины разгружения усиляемой панели перекрытия; устройство усиления просто в проектировании и конструктировании, экономично в его выполнении при незначительном стеснении рабочих габаритов по высоте; сохранение первоначальной расчетной схемы работы панели перекрытия, наиболее близко отвечающей действительной ее работе на изгиб; повышение жесткости панели перекрытия вследствие отсутствия силовых трещин в растянутой зоне поперечного сечения; уменьшение фактических прогибов панели перекрытия в пролете при введении в работу натягиваемой стержневой арматуры усиления; повышение трещиностойкости бетона растянутой зоны сечения предварительно напряженной панели перекрытия; усиление железобетонной панели перекрытия без изменения первоначальных габаритов по высоте; возможность использования при усилении панели перекрытия не только гибкой преднапряженной проволочной арматуры малого диаметра, но и напрягаемой стержневой арматуры больших диаметров, наиболее технологичных в производстве усиления; экономия стали по массе и по сечению при использовании натягиваемой стержневой арматуры более высокой прочности; компактность размещения натягиваемой стержневой арматуры усиления; снижение трудоемкости за счет сокращения ручного труда в процессе усиления панели перекрытия.
Указанный технический результат при использовании изобретения достигается тем, что в известном устройстве для усиления многопустотной панели перекрытия здания, содержащем дополнительно установленные натягиваемые стержни арматуры, оборудованные арматурными изделиями и уложенные в каналы многопустотной панели - особенностью является то, что каждый дополнительно установленный натягиваемый стержень арматуры выполнен из арматурных изделий, включающих отдельные отрезки арматуры, спаренные стяжной муфтой, постоянные концевые анкеры и анкерные распределительные пластины, при этом отрезки натягиваемого стержня арматуры установлены в пустотные каналы панели перекрытия через горизонтальные отверстия, прорезанные в средней части нижней полки панели вдоль оси симметрии пустотных каналов и соединены стяжной муфтой, постоянные концевые анкеры натягиваемого стержня арматуры установлены в приопорной части панели и оборудованы анкерными распределительными пластинами, которые помещены в вертикальные узкие щели, прорезанные в верхней полке и внутренних ребрах панели перекрытия.
Натягиваемый стержень арматуры выполнен составным в виде отдельных спаренных отрезков натягиваемой стержневой арматуры, один конец каждого отрезка арматуры оборудован постоянным концевым анкером с анкерной распределительной пластиной, другой конец отрезка оборудован стопорной обоймой и стяжной муфтой, оборудованной левой и правой крепежной резьбой.
к
к
Постоянный концевой анкер выполнен в виде двух коротышей-накладок диаметром d≈d мм, длиной l=m·d+5 мм (где m=5÷8), прикрепленных сваркой сверху натягиваемого стержня арматуры диаметром d=12÷26 мм.
o
Стопорная обойма выполнена в виде стальной приваренной обоймы высотой H=1,15·d мм или в виде спресованной обоймы диаметром D=2·d мм.
Плоскости опирания арматурных изделий постоянного концевого анкера на торец анкерной распределительной пластины расположены строго перпендикулярно оси натягиваемого стержня арматуры, обеспечивая их плотное прилегание к анкерной распределительной пластине.
1
Анкерная распределительная пластина выполнена из толстолистовой стали толщиной t=6÷20 мм с устройством вилки (зева) шириной b=d+z мм в нижней грани пластины для захвата одного или нескольких натягиваемых стержней арматуры диаметром d=12÷26 мм, высота вилки принята по условию (1)
где Н - высота анкерной распределительной пластины, мм;
o
h - полезная высота усиливаемого сечения многопустотной панели, мм;
d - диаметр натягиваемого стержня арматуры;
1
z - зазор 1÷2 мм.
щ
Ширина узкой щели а мм, вырезанной в верхней полке и внутренних ребрах многопустотной панели перекрытия для установки анкерной распределительной пластины, принята по условию (2)
здесь t - толщина анкерной распределительной пластины, мм;
2
2
z - величина зазора между стенками щели и анкерной распределительной пластиной z=2÷3 мм.
щ
Длина узкой щели b мм, вырезанной в верхней полке и внутренних ребрах многопустотной панели перекрытия для установки анкерной распределительной пластины, заанкеривающей один натягиваемый стержень арматуры, принята по условию (3)
здесь D - диаметр или ширина пустотного канала, панели, мм;
δ - толщина внутреннего ребра многопустотной панели, мм.
щ
Высота узкой щели h мм, вырезанная в верхней полке и внутренних ребрах многопустотной панели перекрытия для установки анкерной распределительной пластины, принята по условию (4)
o.доп
здесь h - рабочая высота сечения панели в месте установки натягиваемого стержня арматуры, мм;
h - высота прорези анкерной распределительной пластины, мм;
2
z=2÷3 мм - зазор.
2
Длина каждого отрезка l мм натягиваемого стержня арматуры принята по условию (5)
1
2
где l, l - соответственно длина ненатягиваемого и натягиваемого отрезков составного стержня арматуры, мм;
l - длина арматурного изделия в сборке, мм;
0
0
z - зазор между торцами отрезков составного натягиваемого стержня арматуры (z=20÷30 мм).
щели
Длина щели L мм, прорезанной в средней части нижней полки многопустотной панели перекрытия для ввода в пустотный канал панели пары отрезков натягиваемого стержня арматуры, оборудованных постоянными концевыми анкерами и стяжной муфтой, принята из условия (6)
щели
щп
щп
пк
пк
здесь L; L - соответственно длина щели по проекту усиления и принятая приближенно (L≈0,5·l; здесь l - длина пустотного канала панели перекрытия) мм;
пл
δ - толщина нижней полки многопустотной панели перекрытия, мм;
o
D - диаметр (высота) пустотного канала, мм;
d - диаметр натягиваемого стержня арматуры, мм.
Напряжение натягиваемого стержня арматуры произведено плавным вращением стяжной муфты, контролируя величину нагружения арматуры усиления.
После введения в работу натягиваемого стержня арматуры произведено стопорение стяжной муфты относительно натягиваемого стержня арматуры.
Заделка отверстий в нижней полке многопустотной панели перекрытия произведена легким бетоном с обеспечиванием требуемой толщины защитного слоя бетона для арматурного изделия усиления.
Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом работы заключена в следующем.
Использование предлагаемого устройства для усиления многопустотной панели перекрытия здания обеспечивает улучшение качества усиления, снижение материальных затрат и рациональное восстановление эксплуатационных характеристик поврежденной панели перекрытия здания. Улучшение качества усиления поврежденной панели достигается за счет:
- увеличения рабочей высоты поперечного сечения в пролете железобетонной панели из-за приближения продольной натягиваемой стержневой арматуры к низу нижней полки панели;
- замены деструктивного (термоповрежденного) слоя тяжелого бетона нижней полки панели на легкий бетон;
- обеспечение нормативной огнестойкости усиленной панели перекрытия путем нанесения защитного слоя из легкого бетона не менее требуемой величины.
Снижение материальных затрат при усилении многопустотной панели перекрытия здания достигается за счет:
- использования сильно поврежденной панели перекрытия к повторной эксплуатации после ее усиления предложенным устройством;
- снижение массы усиливаемой панели перекрытия вследствие заделки отверстий легким конструктивным бетоном;
- снижение трудоемкости установки дополнительной арматуры усиления вследствие прорезания бетона только части (15-20%) длины пустотного канала панели перекрытия;
- сокращение сроков восстановления поврежденной панели и снижение убытков по конструктивной части здания вследствие возможности ремонта даже аварийной панели вместо ее демонтажа;
- снижение расхода металла на дополнительные натягиваемые стержни арматуры вследствие армирования ими по длине канала панели перекрытия с учетом величины изгибающего момента.
Рациональное усиление многопустотной панели перекрытия при использовании предложенного устройства достигается путем:
- сохранения первоначальной расчетной схемы работы панели перекрытия, отвечающей действительной ее работе на изгиб;
- повышения жесткости панели перекрытия вследствие отсутствия силовых трещин в растянутой зоне поперечного сечения;
- уменьшения фактических прогибов панели перекрытия в пролете при введении в работу натягиваемых стержней арматуры;
- повышения трещиностойкости бетона растянутой зоны сечения предварительно напряженной панели перекрытия;
- усиления панели перекрытия без изменения первоначальных габаритов по высоте;
- возможности использования при усилении панели перекрытия не только гибкой преднапряженной проволочной арматуры малого диаметра, но и напрягаемой стержневой арматуры больших диаметров, более технологичных в производстве усиления;
- экономии стали по массе и по сечению при использовании напрягаемой стержневой арматуры более высокой прочности;
- компактности размещения натягиваемых стержней арматуры;
- снижения трудоемкости за счет сокращения ручного труда в процессе усиления панели перекрытия;
- усиления поврежденного сечения панели перекрытия в прежних габаритах без существенного изменения его первоначальной высоты, предотвращая образование толстых наращиваний бетона;
- обеспечения требуемой безопасности панели перекрытия в процессе усиления и при допуске ее к повторной эксплуатации вследствие сокращения объемов вырубания бетона сжатой зоны;
- улучшения качества усиления и снижения материальных затрат на ремонт поврежденной панели перекрытия.
На фиг.1, 2 и 3 изображена схема армирования многопустотной панели перекрытия (план, продольный и поперечный разрезы):
1 - натягиваемый стержень арматуры;
2 - анкерная распределительная пластина;
3 - анкерная обойма;
4 - стопорная обойма;
5 - стяжная муфта;
6 - щель в нижней полке панели перекрытия;
7 - щель в верхней полке и ребрах панели перекрытия;
8 - обжатие или сварка обоймы;
9 - существующая арматура панели перекрытия;
10 - многопустотная панель перекрытия;
11 - ребро панели перекрытия.
На фиг.4 изображено арматурное изделие в виде составного натягиваемого стержня арматуры с постоянными (специальными) концевыми анкерами в виде анкерных и стопорных обойм, анкерных распределительных пластин и стяжной муфтой с двухсторонней (левой и правой) крепежной резьбой (цифровые обозначения элементов арматурного изделия приведены на фиг.1-3):
1
2
l, l - длина левого и правого элемента составного натягиваемого стержня арматуры, мм;
a
l - расстояние между постоянными концевыми анкерами, мм;
l - длина арматурного изделия в сборке, мм;
o
z - зазор между отрезками натягиваемого стержня арматуры, мм.
На фиг.5-6 изображены виды стяжек составных натягиваемых стержней арматуры: стяжная муфта - 5 из отрезка стальной трубы под трубный ключ (фиг.5); стяжная муфта с шестигранным корпусом - 12 под динамометрический ключ, с контргайкой (фиг.6).
На фиг.7 изображена анкерная распределительная пластина из толстолистовой стали для двух натягиваемых стержней арматуры.
Сведения, подтверждающие возможность применения изобретения с получением указанного выше технического результата.
Выполнен проект усиления железобетонной многопустотной панели П2 перекрытия общественного здания, поврежденного огнем (г.Самара, Торговый центр ЗАО «Аверс», 2008 г.). Многопустотная панель П2 выполнена по чертежам серии ИЖ 567-03, марка ПБ 72.12-8; размеры панели в плане 7,2×1,2 м; высота сечения 220 мм. Панель П2 стендового безопалубочного формования, бетон класса В30, рабочая арматура - высокопрочная проволока класса Bp 1200 (Bp - II) диаметром 5 мм, овальные пустотные каналы (8 отверстий) высотой 140 мм, шириной 54 мм; толщина внутренних ребер панели 41 мм; осевое расстояние для нижнего ряда рабочих стержней 20 мм.
Проектом усиления предложено арматурное изделие в виде горизонтальных стяжек с использованием натягиваемых стержней арматуры, составленных из спаренных отрезков горячекатаной арматуры класса А 600 (A-IV) диаметром 20 мм, на натягиваемые стержни арматуры 1 установлены анкерные обоймы 3 и стопорные обоймы 4 высотой 14 мм, наружный диаметр 40 мм; в месте стыковки отрезков арматуры между собою установлены стяжные муфты с шестигранным корпусом 12 длиной 90 мм, диаметром 27 мм, длина нарезки резьбы с обеих концов стяжных муфт 36 мм; постоянные (специальные) концевые анкера оборудованы быстроустанавливаемыми анкерными распределительными пластинами 2 из толсто-листовой стали на два натягиваемых стержня арматуры каждая.
Источники информации
1. Ильин Н.А. RU Пат. 2119023, МПК-6 Е04С 5/08. Арматурное изделие. / Ильин Н.А.; заявка №96115626/03 от 26.07.96, опубл. 20.09.98, Бюл. №26.
2. Ильин Н.А. Патент на полезную модель RU №64245, МПК Е04G 21/2; Е04С 5/00. Устройство для усиления панели перекрытия. / Н.А.Ильин, С.В.Эсмонт, А.П.Шепелев, заявка 2006139195/22 от 07.11.2006, опубл. 27.06.2006, Бюл. №18.
3. Кочетов И.А. Пат. RU 1823909, МПК Е04G 23/02. Способ усиления многопустотных плит перекрытия. / И.А.Кочетов, Б.Ю.Барыкин, заявка 4908995/33 от 08.02.91, опубл. 23.06.93. Бюл. №23.
4. Лазовский Д.Н. RU Пат. 2020234, МПК-5 Е04G 23/02. Способ усиления железобетонных многопустотных панелей перекрытий. / Д.Н.Лазовский, С.Д.Масленников, А.В.Авдошка и др., заявл. 22.04.1991, опубл. 30.09.1994, Бюл. №27.