DEVICE TO REINFORCE COLUMN AND JOINED ELEMENTS OF BUILDING SLAB
УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСИЛЕНИЯ КОЛОННЫ И СОЧЛЕНЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПЕРЕКРЫТИЯ ЗДАНИЯ

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при усилении несущих конструкций эксплуатируемых зданий, более конкретно при усилении тяжело поврежденных огнем железобетонных колонн и сочлененных элементов перекрытия в условиях пожара или технологической аварии.
2
К тяжелым термическим повреждениям колонны и сочлененных элементов перекрытия здания 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 колонны. Повреждения сочлененных элементов перекрытия характеризуются разрушением бетона в поперечном сечении. При тяжелых повреждениях сочлененных элементов перекрытия появляется опасность их разрушения. В ряде случаев целесообразно исправление поврежденной железобетонной колонны и сочлененных элементов перекрытия без их демонтажа, полной или частичной их разгрузки.
Известно устройство для усиления сжатых элементов (колонн) дополнительными напряженными металлическими профильными элементами / см. Онуфриев Н.М. Усиление железобетонных конструкций промышленных зданий и сооружений. - Л. - М.: Стройиздат, 1965; гл. VIII: Преднапряженные распорки усиления; - С.241-247 / [1].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства усиления, относится то, что в известном устройстве преднапряженные распорки повышают несущую способность только колонны, следовательно, невозможно обеспечить надлежащее усиление поврежденных сочлененных элементов перекрытия; при неточном изготовлении напрягаемых распорок по их длине, в известном устройстве невозможно надежное их включение в совместную работу с усиливаемой колонной, следовательно, снижается точность контроля степени разгружения места сочленения ригеля и колонны; сечение ветвей распорки принимают конструктивно, с большим перерасходом металла на усиление, следовательно, при изготовлении известного устройства возрастают металлоемкость и трудоемкость; в известном устройстве, при применении металла без конструктивной огнезащиты снижается фактическая огнестойкость элементов усиления в частности и колонны в целом.
Известно устройство для усиления колонны, включающее металлическую обойму, в верхней части которой закреплен натяжной узел, обойма из 4-х прокатных уголков связана попарно соединительными планками в две ветви, в продольном направлении которые обжаты распорным устройством /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 устройства усиления колонны и сочлененных элементов перекрытия, относится то, что в известном устройстве применена громоздкая, металлоемкая обойма из прокатных уголков; эффективность работы известного устройства усиления снижается вследствие того, что грузовой винт натяжного узла имеет шарнирное закрепление с обеих концов, при этом коэффициент приведенной длины грузового винта весьма значителен; опорная площадка под ригель значительно 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 устройстве при использовании металла без конструктивной огнезащиты снижается фактическая огнестойкость элементов усиления в частности и колонны в целом.
Известно устройство для усиления железобетонной колонны, включающее металлическую обойму, выполненную из уголков, установленных по граням колонны, снабженную натяжными узлами, каждый из которых состоит из опорных элементов и натяжного винта, при этом металлическая обойма выполнена по высоте составной, а опорные элементы закреплены на стыкуемых концах составных частей обоймы /А.с. SU №916 722, кл. 3 E04G 23/02. Устройство для усиления колонн / М.Д. Бойко. Опубл. 05.04.82. Бюл. №12/ [3].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства усиления колонны, относится то, что в известном устройстве на его изготовление расходуется значительная масса металла, не эффективно используемая для усиления колонны, 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 устройстве 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 для известного устройства усиления без конструктивной огнезащиты снижается фактическая огнестойкость элементов усиления и колонны.
Наиболее близким техническим решением к изобретению по совокупности признаков является устройство для усиления колонны, включающее упорный элемент, напрягаемую распорку и натяжной узел; при этом упорный элемент выполнен в виде опорного столика и упорного башмака напрягаемой распорки, остов которой выполнен из двух ветвей, натяжной узел выполнен с применением грузовых винтов и натяжных гаек. При усилении нагруженной колонны, поврежденной с одной стороны, опорный столик и напрягаемая распорка установлены с той же стороны (грани) колонны. При усилении нагруженной колонны, поврежденной с двух или трех граней, опорные столики и напрягаемые распорки установлены с двух противоположных граней. Опорные столики выполнены из отрезков стального уголка или швеллера. Несущие ветви напрягаемой распорки выполнены из угловой стали или стальной трубы прямоугольного или круглого сечения. Каждый грузовой винт размещен в центре тяжести поперечного сечения ветки остова и жестко прикреплен к напрягаемой распорке. После введения напрягаемой распорки в работу нижняя опорная плита распорки и верх опорного столика соединены металлической пластиной или отрезком уголка. Металлические элементы распорного устройства подвержены огневой обработке горелками и покрыты слоем бетона, толщина которого принята в зависимости от требуемого предела огнестойкости колонны /Патент №2 038 581 RU, МПК E04G 23/00 (2006.01) Устройство для усиления колонн и их оголовков. / Н.А. Ильин. Опубл. 20.10.2007. Бюл. №29/ [4] - принято за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства усиления, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве на его изготовление расходится значительная масса металла, что не эффективно используемая для усиления колонны и сочлененных элементов перекрытия; упорный столик, расположенный снизу колонны, непосредственно не снижает термонапряжения в стержнях продольной арматуры колонны; при изготовлении арматурных каркасов для устройства усиления колонны поперечная арматура (хомуты и отгибы) сначала нарезается, затем каждый отрезок стержня приваривается к угловым стержням устройства усиления и к ветвям остова напрягаемой распорки; следовательно, велики объемы резки поперечной арматуры плоских каркасов, большое число свариваемых пересечений арматуры с угловыми стержнями устройства усиления, значительны трудоемкость и расходы металла при раскрое поперечной арматуры.
Сущность изобретения заключается в следующем. Задача, на решение которой направлена заявленное изобретение, состоит в повышении надежности и безопасности состояния усиливаемой колонны и сочлененных элементов перекрытия, получивших тяжелые термические повреждения, в снижении расхода стали и материальных затрат за счет рационального использования элементов устройства усиления.
Технический результат ~ рациональное и эффективное усиление поврежденной колонны и сочлененных элементов перекрытия, надежное включение в совместную работу напрягаемой распорки с контролем предварительных напряжений в ней, 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» предлагаемого распорного узла при проектировании и изготовлении его, повышение надежности в работе, снижение расхода металла на изготовление устройства усиления и получение возможности эффективного использования металла при усилении колонны и сочлененных элементов перекрытия, обеспечение огнезащиты металлических элементов устройства усиления; сокращение объема сварочных работ; экономия энергии и стали; возможность механизации арматурных работ и централизованного изготовления элементов распорного узла.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве для усиления колонны и сочлененных элементов перекрытия здания, включающем напрягающие стойки стальной обоймы усиливаемой колонны, распорный узел, содержащий опорные столики и грузовые винты, упорные элементы; опорный столик выполнен из отрезка прокатного стального уголка, усилен ребрами жесткости, оборудован отверстиями для установки грузовых винтов; грузовые винты оборудованы натяжными гайками, шайбами и контргайками; остов напрягаемых распорок выполнен из двух пар стальных уголков, соединенных планками, особенностью является то, что распорный узел устройства усиления содержит две стальные гребенки, установленные на опорные столики, которые прикреплены к стойкам стальной обоймы с двух противоположных граней усиливаемой колонны; стальные гребенки включают упорные пластины с прикрепленными к ним наглухо грузовыми винтами; опираясь в упорные пластины, прикрепленные к опорным частям сочлененных элементов перекрытия, грузовыми винтами передается силовая нагрузка на напрягаемые стойки стальной обоймы, включая последние непосредственно в работу усиливаемой колонны.
Следующими особенностями устройства являются: стальная гребенка распорного узла выполнена в виде сварного таврового соединения грузовых винтов непосредственно с нижней поверхностью упорной пластины; стальная гребенка распорного узла выполнена в виде сварного таврового соединения грузовых винтов с упорной пластиной и выпуском анкеров через раззенкованные отверстия; стальная гребенка распорного узла выполнена в виде крепежного болтового соединения грузовых винтов, оборудованных буртиком, с упорной пластиной и выпуском анкеров через отверстия в упорной пластине; грузовой винт выполнен в виде короткого отрезка стального стержня, оборудованного с одного конца ходовой резьбой, натяжными гайками, шайбами и контргайкой; грузовой винт выполнен в виде отрезка стального стержня, оборудованного с одного конца ходовой резьбой, натяжными гайками, шайбами и контргайкой; с другого конца оборудован буртиком, крепежной резьбой, гайкой и шайбой; грузовой винт выполнен в виде отрезка стального стержня, включающего в себя длину анкера, оборудованного с одного конца ходовой резьбой, натяжными гайками, шайбами и контргайками, с другого конца оборудован анкером; при изготовлении сварного таврового соединения грузового винта с упорной пластиной распорного узла предусмотрена дуговая сварка под флюсом; при изготовлении сварного таврового соединения грузового винта с упорной пластиной распорного узла предусмотрена контактная сварка сопротивлением и непрерывным оплавлением; при изготовлении сварного таврового соединения грузового винта с упорной пластиной распорного узла предусмотрена дуговая сварка в раззенкованное отверстие; упорная пластина распорного узла изготовлена из отрезка рифленой полосовой стали; упорная пластина распорного узла прикреплена непосредственно к бетону нижней грани элемента перекрытия, утопляя в сок пластичного цементно - песчаного раствора с выжиманием; упорная пластина распорного узла прикреплена к элементу перекрытия путем установки анкеров грузовых винтов в пазы глубиной 60 мм, высверленные в бетоне нижней грани элемента перекрытия; упорная пластина распорного узла прикреплена к обнаженной нижней арматуре железобетонного элемента перекрытия путем контактной рельефно - точечной (две точки) сварки; высота сварного шва, соединяющего элементы устройства усиления, принята по расчету на срез и изгиб, но не менее 6 мм; диаметр грузовых винтов и их число определено расчетом на прочность и устойчивость в зависимости от величины усилия разгружения железобетонной колонны; для предупреждения ослабевания натяжных гаек под нагрузкой произведено стопорение их относительно грузовых винтов контактной точечной сваркой. 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), где приняты следующие обозначения:
(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 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- контгайка (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 показано: 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≥K≤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.
а
д
2
Пример конкретного выполнения. Железобетонная колонна первого этажа жилого дома (торговый зал) высотой Н=3,8 м, выполненная в виде сплошного квадратного сечения В×С=400×400 мм, оборудована стальной обоймой; бетон тяжелый класса В 30, продольная арматура из стали класса А 400 (A-III), - 8⌀22 мм; глубина заложения арматуры =40 мм, толщина защитного слоя и=30 мм; толщина деструктивного слоя бетона δ=(35÷45)мм; тяжелые термические повреждения бетона обнаружены на участке длиной 2,6 м от оголовка на четырех обогревавшихся в условиях пожара гранях колонны; термические напряжения растяжения порядка (9000±1000) Н/смимеют угловые стержни продольной арматуры колонны.
o
o
o
o
Устройство усиления содержит четыре угловых стойки стальной обоймы - 3, две упорные пластины - 5, два опорных столика - 10, две стальные гребенки с грузовыми винтами - 4. Опорные столики - 10 выполнены из отрезков уголка размерами h×b×s=125×80×8 мм, длиной l=B-2·u=400-2·30=340 мм. В упорной пластине - 5 и опорном столике 10 для пропуска концов грузовых винтов диаметром d=20 мм высверлены сквозные отверстия диаметром d=21 мм или вырезаны овальные пазы шириной b=d=21 мм и длиной e=b+0,5·d-e=75+0,5·20-45=40 мм.
Угловые стойки стальной обоймы - 3 выполнены из равнополочного уголка прокатного профиля размером b×b×s=125×125×10 мм и имеют соединительные планки размером l×b×s=400×100×10 мм.
Стальной гребень распорного узла выполнены в виде сварного таврового соединения - 19 грузовых винтов - 4 непосредственно с нижней поверхностью упорной пластины - 5, сверху упорная пластина - 5 сочленена с нижней продольной арматурой - 21 ригеля перекрытия путем контактной рельефно - точечной (две точки) сваркой - 22.
1
1
Грузовой винт - 4 распорного узла изготовлен из круглой стали, диаметр винта d=20 мм, длина винта 200 мм, длина нарезки метрической резьбы М20 на одном конце винта b=150 мм; каждый грузовой винт - 4 натяжного узла оборудован двумя натяжными гайками - 6 высотой m=30 мм, диаметром резьбы М20 и шестигранной контргайкой - 7 высотой m=16 мм и двумя пружинными шайбами (для винта d=20,5 мм) толщиной s=4 мм.
Введение в работу деталей устройства усиления колонны и сочлененных элементов перекрытия произведено следующим образом.
b
s
В процессе технического осмотра колонны и сочлененных элементов перекрытия, отбивая слесарным молотком деструктивный слой бетона (t≥550°С), устанавливаются участки усиливаемой колонны - 1 с тяжелыми повреждениями и остаточными после пожара термическими напряжениями в продольной арматуре (t≥500°С). Предварительно в механической мастерской изготовляются: упорные пластины - 5, опорные столики - 10, грузовые винты - 4 натяжного узла, натяжные гайки - 6, контргайки - 7 и пружинные шайбы, ребра жесткости - 13, соединительные планки - 14, угловые стойки стальной обоймы - 3, устройства усиления.
Сначала к паре угловых стоек стальной обоймы - 3 усиливаемой колонны - 1 прикрепляют опорный столик - 10 с помощью флангового сварного шва - 15. Затем укомплектовывают грузовые винты - 4 натяжного узла натяжными гайками - 6, контргайками - 7, пружинными шайбами и устанавливают по месту грузовые винты - 4 натяжного узла в распорный узел. Одновременным заворачиванием тарировочным ключом натяжных гаек - 6 грузовых винтов - 4 натяжного узла с заданным (контролируемым) усилием, - разгружают продольную арматуру от термических напряжений, увеличивая при этом несущую способность усиливаемой колонны -1.
После введения угловых стоек стальной обоймы - 3 в работу, упорные пластины - 5 и опорные столики - 10 соединяют наглухо отрезками уголка или соединительными планками - 14 с помощью контактной рельефно -точеной сварки - 22. Металлические элементы устройства усиления имеют слой огнезащитного покрытия - 18 - слой легкого бетона, толщина которого определяется по теплотехническому расчету.
Использованием предложенного устройства усиления колонны и сочлененных элементов перекрытия устраняют тяжелые повреждения без демонтажа или предварительной разгрузки несущей конструкции, наиболее полно используя остаточную прочность материалов при дальнейшей ее эксплуатации. Предложенное устройство позволяет рационально и эффективно произвести усиление тяжело поврежденной железобетонной колонны за счет надежного включения в совместную работу напрягаемой распорки с контролем предварительных напряжений.
Жесткое соединение грузового винта с несущей ветвью распорки вдвое снижает коэффициент приведенной длины винта при расчете прочности и устойчивости его как сжатого элемента. Предложенное устройство упрощает конструкции передачи «грузовой винт - упорная гайка» распорного узла при проектировании и изготовлении его, повышая надежность в работе, выигрыш в силе и обеспечивая бесшумное, медленное и плавное перемещение напрягаемой распорки с большой точностью.
Предложенное устройство позволяет повысить степень контроля разгружения усиливаемой колонны напряженными распорками, снизить в 2-3 раза расход металла на его изготовление и обеспечить требуемую огнезащиту металлических элементов устройства усиления.
Предложенное устройство применено в строительной промышленности при усилении колонн и здания. Колонна с тяжелыми термическими повреждениями верхней части находилась на границе между ограниченно работоспособным и аварийным состоянием. Материал элементов устройства усиления - сталь марки Ст.3 кл. 2-1. Расчетная нагрузка на колонну 3005 кН (310 тс).
Работы по усилению железобетонной колонны и сочлененных элементов перекрытия здания были проведены в жилом доме со встроенным торговым залом (г.Самара, 2011 г.).
Источники информации
1. Онуфриев Н.М. Усиление железобетонных конструкций промышленных зданий и сооружений. - Л. - М.: Стройиздат, 1965 (гл. VIII: Преднапряженные распорки усиления. - С.241-247).
2. А.с. SU 607 932, кл. 2 E04G 23/02. Способ усиления колонн./ В.В.Гусельников. Опубл. 25.05.78. Бюл. №19.
3. А.с. SU 916 722, кл. 3 E04G 23/02. Устройство для усиления колонн. / М.Д.Бойко. Опубл. 05.04.82. Бюл. №12.
4. Патент 2038581 RU, МПК E04G 23/00. Устройство для усиления колонн и их оголовков. / Н.А.Ильин. Опубл. 20.10.2007. Бюл. №29